基于EL的太陽能電池局部缺陷與電流分析

賈 朋 ，王 昊 ，王昱涵 ，余加俊

（1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022；2.河海大學企業管理學院，江蘇常州213022）

隨著人類對傳統化石能源的過度開采和利用，為保證能源的可持續性利用，可再生能源的開發與利用顯得尤為重要。面對日益嚴峻的能源形勢，各個國家都在著眼于核能、風能、太陽能等可再生能源，其中太陽能取之不盡，用之不竭的特點是其他能源所不具有的。對于太陽能的利用主要分為太陽能光電利用和太陽能光熱利用，太陽能的光電利用技術成熟，使用最為廣泛。光伏發電中太陽能電池板的質量決定著光伏發電的效率，因此對太陽能電池組件的質量檢測就十分重要，其中EL測試能直觀地看出太陽能組件中所存在的缺陷，成為組件質量檢測的關鍵環節。在電池片出廠時，都會對電池片進行電致發光檢測，通過觀察電致發光的圖像和對電池片的發電功率進行電池片分類。

1 電致發光原理

EL測試又稱為太陽能電池片電致發光，也稱場致發光。現在已經成為一種檢測太陽能電池片質量的普遍方法，在檢測和控制出廠電池片質量發面發揮重要作用。在太陽能電池中，少子的擴散長度遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴用過勢壘區時因復合而消失的幾率很小，繼續向擴散區擴散。在正向偏置電壓下，P-N節勢壘區和擴散區注入了少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多載流子復合而發光，這就是太陽能電池電致發光的基本原理[1]。

如圖1所示，為EL測試的基本組成部件和基本步驟，將電池片的正負極引出，利用外電源對電池片進行正向偏壓處理，電池片發出的光子會被CCD相機所捕捉到。利用少子壽命、密度和光強之間的關系，即太陽能電池的店址發光強度正比于少子擴散長度，正比于電流密度，再通過計算機進行處理后顯示出來[1]。根據得出來的照片可以分析出電池片缺陷存在的位置和缺陷的形式。由于硅電池片的帶隙約為1.12 eV，所以晶體硅電池片的帶間直接符合的EL光譜的峰值在1 150 nm左右，所以EL測試時的過接近于紅外光線，因此只有在光強很弱的情況下，紅外光學相機才能捕捉的到。因此，整個光線捕捉裝置都在暗箱中進行，同時要求CCD相機有很高的靈敏度和無噪性才能保證所拍攝的電池片的照片準確可靠。

從EL測試的原理中可以看出，在電池片的缺陷處，比如隱裂、斷柵、碎片等地方的發光強度要弱于電池片的正常區域，可以直觀的看出原子級缺陷引起的功率損失的區域和物理破壞引起的缺陷形式、區域。

圖1 EL測試示意圖

2 太陽能電池片缺陷分類

太陽能電池片在加工制造和運輸的過程中會產生各種不同的缺陷，本篇文章根據電池片EL圖像的不同，首次將電池片的缺陷分成兩大類：原子級缺陷和物理級缺陷。顧名思義，原子級缺陷是太陽能電池片在生產的過程中產生引起的“天生”的缺陷，例如電池片的高晶界、黑邊等；物理級缺陷是在電池片運輸、層壓過程中由于碰撞等因素產生的，例如隱裂、碎片等。

2.1 原子級缺陷電池片

太陽能電池片在出廠之前都要經過EL檢測來進行質量把關。EL檢測由于其質量高、成本低且能快速準識別出組件電池單元常見缺陷等特點，在整個組件封裝生產環節中得到了廣泛應用[2]。但是，在具體的實驗中，我們發現，有很多電池片的缺陷形式在EL檢測中不明顯，由于是硅片自身結構的問題，因此本篇文章將這類缺陷形式統稱為原子級缺陷。

圖2所示為正常電池片的EL圖像，圖像中可以明顯看出電池片上的柵線，電池片表面較暗區域我們認為在正常發電情況下發電功率較低的區域；圖3為漏電流過大的缺陷電池片，其主要特征是電池表面漏電流過大，因此造成電池片功率較低的情況，與正常電池片相對比，漏電流過大的電池片電致發光圖片表面平均亮度要比正常電池片暗很多。

圖2 正常片

圖3 漏電流過大

圖4為高晶界電池片，此硅片在加工過程中，硅的晶界要比正常硅片中的晶界要高很多，會阻礙電子的移動[3]，因此造成電池片功率的損耗；圖5為黑邊電池片，是由于少子壽命的分布情況有差異造成的，反應到電池片上會使電池片表面串聯電阻增大看，影響其發電功率[3]。

圖4 高晶界

圖5 黑邊

從上述4張圖片中可以發現，對原子級缺陷電池片進行EL測試，電池片的缺陷區域并不能明顯的顯現出來，因此，電池片出廠時進行的EL測試并不能將所有缺陷都檢測出來，但是在電致發光檢測中還是能將一部分的缺陷檢測出來的，本篇文章將此類缺陷定義為物理級缺陷。

2.2 物理級缺陷電池片

所謂物理級缺陷就是由于在電池片的層壓、運輸、包裝過程中由于物理性的碰撞造成電池片表面的產生不可逆的破碎、劃痕等情況[4]。本篇文章將典型的物理級缺陷劃分為隱裂、碎片、斷柵、虛焊等缺陷形式。

圖6為隱裂電池片，在電池片的電致發光圖像中可以清晰的看到在第一第二兩條柵線之間有明顯的裂痕痕跡，雖然EL成像顯示此處有裂痕，但是并不影響該電池片的正常發電情況，經過測試，電池片的發電功率并沒有明顯變化；圖7為碎片電池片，從圖像中可以看出電池片上方出現一處斷裂，對其功率進行測試顯示功率出現損耗。

圖6 隱裂

圖7 碎片

以上兩種缺陷最容易出現在電池片斷額層壓工序中，操作不當極易引起隱裂和碎片。圖8所示的電池片為斷柵電池片，在副柵線上有明顯劃痕，使柵線斷裂，柵線的斷裂會影響電子的匯流，使功率降低【5】；圖9所示的電池片為虛焊電池片，虛焊是在主柵線的焊接過程中，主柵線沒有緊密的貼合在電池片的表面，雖然將虛焊歸類為物理級曲線，但是此缺陷在EL圖像中顯示地并不明顯。

圖8 斷柵

圖9 虛焊

相比于原子級缺陷，物理級缺陷更能在EL圖像中被發現，但是僅僅依靠EL圖像來檢測太陽能電池片的缺陷是存在一定的誤差的。由于物理級缺陷所造成的的組件的損害是十分嚴重的，因此在EL檢測中，最常檢測的就是物理級缺陷，物理級缺陷中的隱裂、斷柵、虛焊不僅會造成電池片的功率損失，也會造成局部熱斑現象。準確定位和判斷缺陷的位置以及缺陷形式在電致發光檢測中是十分重要的。

3 太陽能電池片局部電流計算

太陽能電池片的局部電流計算一直是太陽能電池領域中比較薄弱的一點，整個組件的額定電流和額定電壓可以在IEC61215的標準下測得，但是局部的電流并不能直接通過實驗儀器測量得出。由電池片的電致發光的原理我們可以看出，電池發光圖像中亮度高的部分在實際電池片使用過程中發電效率也相對較高，因此對電致發光圖像中的亮度進行分析就能推出電池片的表面局部電流。

Photoshop是一款強大的處理圖像的軟件，由于其操作界面簡單，內容豐富，結論直觀所以選用Photoshop進行對電致發光圖像的處理。

在EL圖像的基礎上分析電池片局部電流來評判電池片的質量能有效檢驗出電池片的好壞。本片文章提出一種以Photoshop為工具的EL圖像分析方法。

由于EL圖像顯示的是電池片電致發光的灰度圖像，因此利用Photoshop來分析EL圖像中局部灰度值來確地電池片的局部電流的大小。

首先判斷所處理圖像的大小，并建立相同大小的畫布，同時將顏色模式調整為灰度模式，利用軟件中的區域圈選工具來圈選要分析局部電流的位置。得出的區域局部灰度值可以潛在地反應出該區域中電流的大小。因為電致發光圖片是外加電壓引起的，所以在正常區域中的灰度值可以反應出電流的值。我們將正常區域的電流定義為I，局部電流定義為I0，正常區域的灰度值為H，局部灰度為H0，則局部電流的大小可以近似為：

在灰度的概念中，0表示純黑色，255表示純白色，如在圖10所示的圖片中圈選其中一部分進行灰度分析，其中圈選的部分已經被陰影標注，通過Photoshop分析之后的結果如圖11所示為灰度分析數據。

圖10 分析局部灰度

圖11 灰度分析圖像

4 結 論

電池片的使用年限為25年，因此出廠時電池片的質量十分重要，電致發光在太陽能電池片的出廠檢測中起著十分重要的作用，但是在檢測過程中有部分缺陷是檢測不出來的，對于原子的級的缺陷，大部分的原子級缺陷都不能在EL圖像中顯現出來，漏電流過大的電池片只是在亮度上比正常的電池片低；高晶界電池片在硅的晶面上有差異也不能反應到電池發光的圖像中；黑邊電池片同樣沒有造成電池發光圖像特別明顯的差異。

對于物理級缺陷，大部分物理級缺陷都能被檢測出來，例如隱裂能夠看到明顯的裂痕；碎片有明顯的無功率區域；斷柵可以看到柵線斷裂；有少部分物理級缺陷如虛焊，也不能在EL圖像中顯示。

公式（1）所提出來的對電池片局部電流的近似計算方法能在已知EL圖像的情況下對電池片進行局部電流的計算，通過對局部電流的分析能得出電池片各個部分電子的導通程度，與正常電池片相對比來確定電池片的缺陷位置和缺陷形式。

之后的研究將結合電池片缺陷處的發熱情況進行進一步的實驗，在進行熱斑實驗的過程我們發現，有的電池片會在缺陷處集中發熱，有的電池片會在電池片的邊緣區域集中發熱，物理級缺陷發熱的規律與原子級缺陷發熱的規律有所不同，在今后的研究中，我們將深入探索缺陷與電池片發熱之間的關系。

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