太陽電池在反向偏壓下的發光現象研究

晶澳太陽能控股有限公司 ■ 裴賀強 王貴梅 李影影 劉苗 朱少杰

0 引言

在太陽電池生產領域，較低的并聯電阻值(下文簡稱“并阻值”)及較大的漏電電流值(下文簡稱“漏電值”)均會對太陽電池的可靠性產生極大影響。在傳統的太陽電池生產工藝中，電池生產車間一般使用紅外熱成像測試技術對并阻值偏低或漏電值偏大的異常太陽電池進行測試分析，通過熱成像可以收集外加反向偏置電壓(下文簡稱“反向偏壓”)下的遠紅外波段的輻射，可以很快地顯示出電池的主要漏電缺陷及并聯電阻的分布情況。但在實際生產過程中，會有一類由特定原因導致的漏電值偏大的異常電池，往往在外加反向偏壓時會在異常位置發出肉眼可見的可見光，與常見的由制程污染導致的并阻值偏低、漏電值偏高的異常電池呈現出明顯不同的特征。因此，本文基于目前主流的常規多晶硅太陽電池生產工藝，對太陽電池在反向偏壓下發出可見光的形成原因和發光機理進行分析，通過在不同工序引入金屬污染，驗證其對電池并阻、漏電，以及外加反向偏壓時發光現象的影響。

1 實驗

1.1 實驗儀器

本實驗中，電池的電性能測試采用HALM檢測系統，熱成像測試采用Fluke公司的Ti55FT紅外熱像儀。

1.2 實驗設計

目前市場上主流的常規多晶硅太陽電池生產工藝流程如圖1所示。本實驗采用由松宮電子材料有限公司生產的多晶硅片，并基于同樣的主流生產工藝制成太陽電池成品。在制備過程中，在不同環節人為地引入金屬雜質污染，具體引入污染的環節及位置如表1所示，由此制備出a、b、c、d 4種實驗樣品；另外，按照同一主流生產工藝制成常規太陽電池作為對比組。制備完成后，通過測試觀察哪種樣品會在反向偏壓下出現發光的現象。

圖1 主流的常規多晶硅太陽電池生產工藝流程

表1 實驗樣品的制備情況

2 實驗結果與討論

2.1 電性能差異

通過HALM檢測系統對實驗樣品及對比組太陽電池進行測試，然后對比這些電池的電性能差異，具體對比結果如表2所示。表2中的電性能數據為實驗樣品太陽電池的電性能數據減去對比組太陽電池的電性能數據的差值，非絕對值。

表2 實驗樣品與對比組太陽電池的電性能差異值

從表2的數據可以看出，4種實驗樣品均表現出反向電流IRev2明顯增大且并阻值Rsh明顯降低。其中，實驗樣品a的并阻值下降幅度相對較小，反向電流上升幅度相對較大，與實驗樣品b、c、d存在差異。造成這一現象的原因可能與污染的嚴重程度、“擴散”環節制造p-n結的過程，以及后續的“濕刻去PSG”環節有關。

2.2 外加反向偏壓時實驗樣品的表現

各實驗樣品的外觀如圖2所示。其中，實驗樣品a的外觀無明顯異常，實驗樣品b、c、d的外觀均展現出不同程度的異常。

對實驗樣品的外觀產生異常的原因進行分析。實驗樣品a的污染發生在“擴散”前，由于“擴散”后的“濕刻去PSG”會將硅片表層污染清洗掉，因此該樣品的外觀異常不明顯。而實驗樣品b、c、d均為在“濕刻去PSG”之后再引入金屬污染，因此實驗樣品外觀的異常相對明顯。

圖2 4種實驗樣品的外觀

對4種實驗樣品均外加10 V的反向偏壓，使用Fluke公司的Ti55FT紅外熱像儀測試外加反向偏壓時實驗樣品的熱成像，結果如圖3所示。

熱成像圖像顯示，4種實驗樣品的污染位置均有明顯的發紅現象，這與表2中反向電流值較大這一結果相一致。此外，實驗樣品a在外加反向偏壓時，污染位置還存在明顯的發光痕跡，如圖4所示；而實驗樣品b、c、d在外加反向偏壓時，樣品外觀無明顯變化。

圖3 外加反向偏壓時4種實驗樣品的熱成像圖像

圖4 實驗樣品a外加反向偏壓時外觀發光

2.3 對實驗結果的討論

對實驗樣品a外加反向偏壓時外觀發光的原因進行分析。在現有的生產工藝中，為制備p-n結，“擴散”環節需經過長時間的高溫以推進擴散，因此，在“擴散”前引入的金屬雜質原子會更容易擴散至p-n結的耗盡區或接近耗盡區的位置。當太陽電池處于反向偏壓時，其耗盡區的電場會得到增強，導致耗盡區范圍加大，有可能使那些在零偏壓下原本處于耗盡區之外的雜質缺陷進入耗盡區中[1]，如圖5所示。進入耗盡區的雜質缺陷會導致局部電場的彎曲和進一步增強，在這些位置實現局部預擊穿。預擊穿導致的反向電流會引起對應位置的溫度升高，與熱成像發紅的表現一致。光發射與反向電流密度及溫度呈正相關[2]。

圖5 p-n結在外加反向偏壓前、后耗盡區的變化

3 結語

本文基于目前主流的常規多晶硅太陽電池生產工藝，對太陽電池在反向偏壓下發出可見光的形成原因和發光機理進行了分析和驗證，發現只有在“擴散”環節前引入金屬污染，才會在外加反向偏壓時發生發光現象。這一發現有助于現場技術人員盡快鎖定存在污染的環節并進行改善，可縮短異常排查時間，對降低產線不良率有一定的積極作用。