基于太陽能電池片表面缺陷與產線優化研究

陸小春，張從飛

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226004）

1 太陽能電池片的基本結構和制作工藝

1.1 太陽能電池片的基本結構

單晶硅太陽能電池通常是表面呈現絨面結構并帶有“柵線”型金屬電極，背面用特殊漿料制備成金屬電極。 在實際生產中，為了捕捉更多的入射光和延長光在電池片內部傳播的路徑長度，電池片的表面會被制成凹凸不平的四棱錐，形成“絨面”[1]。 為了防止電池片內部電子和空穴結合時產生巨大的能量損失，在硅片表面通過印刷燒結將含有化學元素的漿料制備成電柵與硅片形成歐姆連接。 為防止電流外泄，電池片背面通常采用含銀漿料印刷并燒結成銀電極，如果想要得到電流可以通過連接兩邊電極來獲得。

1.2 太陽能電池片的制作工藝

為了詳細分析太陽能電池的缺陷，必須了解太陽能電池的制造流程。 制造單晶硅太陽能電池的設備工藝復雜、繁多，任何工藝都可能導致太陽能電池的缺陷[2]。 工藝流程如圖1 所示。

圖1 太陽能電池的工藝流程

圖2 各種缺陷圖像

本文主要針對電池片外觀質量進行抽檢，所以主要采取更為普遍且重要的外觀缺陷進行實驗檢測，由于在實際生產過程對電池片表面質量的抽檢中發現虛印、漏漿和斷柵出現的次數過于頻繁。如圖2 所示，分別是斷柵、漏漿和虛印缺陷的外觀圖形，限于篇幅這里重點討論虛印及漏漿問題。

2 產線流程中設備及檢測原理

絲網印刷的原理是指漿料可以通過網版的圖形部分而不能通過非圖形部分。印刷時，在網版的一端注入漿料，然后通過移動刮刀將漿料從網版的一端刮到另一端，在刮刀移動過程中，漿料通過網版的圖形部分被擠壓到承印物上。 在印刷過程中刮刀始終與網版和承印物相互接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，但是承印物還是脫離于絲網中的其它部分，這樣可以使印刷尺寸的精確度得到保證并且可以避免蹭臟承印物。 當刮刀刮過整塊網版后慢慢抬起，網版與承印物互相分開。 漿料和工作臺回到初始位置，這一系列過程被稱為印刷過程[3]。

太陽能電池絲網印刷流程后的設備主要有燒結爐、自動光學檢測儀（Automatic Optical Inspector，AOI）。

2.1 燒結爐

在經過烘干排焦過程后，印刷在電池片表面漿料中的大多數有機化學元素被蒸發，從而使漿料中的金屬電極材料變成電柵與硅片緊密相結合。 所謂的燒結過程，就是為了在電極和硅片本身之間建立歐姆關系。 燒結爐中的內部過程主要有三個，分別為烘干排焦、燒結和冷卻。

烘干排焦是指將硅片表面的漿料烘干，并且排除其中的有害物質（焦油）；燒結是指絲網印刷結束后的硅片通過1 000℃區域后，將其表面的漿料形成電柵并與電池片燒結在一起形成歐姆連接； 冷卻的目的是將電池片通過冷卻區使其表面的溫度降低，確保電池片在下一階段的測試分類可以正常進行。

2.2 AOI 的工作原理

AOI 檢測一般分為光學部分和圖像處理部分。光學部分采用的方法是電致發光（Electroluminescence，EL）檢測法，在電致發光成像系統中，太陽能電池中的光子受到正電壓的激發，使其躍遷到低能級并釋放出光能。 然后使用冷卻的CCD 相機來捕捉被激發的太陽能電池形成的紅外線。 在所拍攝的圖像中，轉換效率高的硅片區域明亮發光，而缺陷區域（如漏印、虛印、斷柵等）在識別圖像中呈現暗區。 該種方法的優點是能夠在不與電池片接觸的情況下檢測人眼所觀測不到的缺陷，提高檢測效率的同時避免了直接與產品接觸造成的二次損傷。 圖像處理部分是對光學部分采集的圖像進行接收、分析、處理和評價[4]，圖像處理部分需要強大的軟件支持，因為各種缺陷均需要計算機計算和判斷。

3 產線優化前后數據對比分析

3.1 單晶太陽能電池斷柵缺陷

3.1.1 實驗信息

實驗期間采用的樣本是來自14 個班次產線生產的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經過1BPERC 測試機中的自動光學檢測儀，從而產生電性能、拉力可靠性和斷柵缺陷數據，儀器檢測標準為允許斷線距離≤0.5mm，數量不計，斷柵距離 0.5mm～1.0mm，數量≤7 個，不在同一條細柵上，且相鄰柵線不同時出現（A 級），允許存在斷線，其斷開距離≤2mm，斷開數量≤20 處（B 級）。

3.1.2 數據分析

兩組對比實驗一共14d 的電性能趨勢圖如圖3 所示。

圖3 電性能趨勢圖

PERC 太陽能電池在進過AOI 時效率基本持平，在兩組實驗中，效率符合生產需求。

兩組實驗所測得的拉力可靠性數據如表1、表2 所示。

表1 拉力可靠性數據—優化前

表2 拉力可靠性數據—優化后

14 個班次隨機抽取1B 測試機上生產的太陽能電池片50 片～100 片，質量監控拉力正常，符合生產標準。

實驗期間PERC 測試機14d 的外觀斷柵缺陷趨勢圖如圖4 所示。

圖4 外觀斷柵缺陷趨勢圖

兩組實驗對比可看出，在優化產線過后，電池片外觀斷柵缺陷有明顯的降低。

3.1.3 實驗結論

1） 通過上述實驗對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發現實習單位生產的電池片符合市場標準，對電池片表面質量無任何影響。

2） 在經過 AOI 的時候分別產生 53、32、12、72、33、43、17、16、45、14、54、62、55、62、54 片碎片。

3） 從圖4 發現每天斷柵的比列在0.235%左右，雖然不高，但是還需分析產生原因，以減少殘次品的比例。

4） 在實驗過程中對產線檢查時發現了幾處對電池片表面質量存在影響的地方。 ①缺陷原因： 參數不合理，在生產電池片的時候印刷參數不是一成不變的，機器會根據產線上反饋的數據進行自我調節，有時參數的改變符合生產需求，有時不符合要求，所以會產生印刷出來的電池片存在斷柵現象。 優化方法： 第一時間對參數進行調整，增加刀片對網版的壓力，減少版間距，從而避免斷柵。 ②缺陷原因：網孔堵塞，漿料堵住了網版中的孔洞，導致漿料無法透過網孔印刷在電池片上。 優化方法：在發現的第一時間對網版進行擦拭，以防止斷柵的電池片過多，導致當班次生產的電池片全部返工。 ③缺陷原因：印刷頭在運行過程中晃動。 通過對絲網設備的檢查中發現印刷頭明顯可以看出晃動，具有事故隱患，并且對電池片表面的質量具有嚴重的影響，需要隔離本班次的電池片進行處理。 優化方法：首先停止印刷機的運行，減少帶有斷柵電池片的產生，降低虧損，然后上報當班工程師和設備工作人員，讓他們進行協商，找出最快的解決辦法。

通過兩組實驗數據對比可知，在發現問題并對產線優化后斷柵不良率最低下降了0.287%。

3.2 單晶太陽能電池漏漿缺陷

3.2.1 實驗信息

實驗期間采用的樣本是來自14 個班次產線生產的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經過1BPERC 測試機中的自動光學檢測儀，從而產生電性能、拉力可靠性和漏漿缺陷數據，儀器檢測標準為正面漏漿面積≤0.25mm2每片電池≤3 個，側面漏漿不允許 （A 級）；0.25mm2≤單個面積≤2.0mm2，個數≤5 個（B 級）。

3.2.2 數據分析

圖5 表達的是在對產線一些問題優化前后電性能的趨勢圖。

圖5 電性能趨勢圖

在兩組實驗期間，電性能效率符合生產需求。

實驗期間對每天電池片拉力可靠性進行測試，表3、表4 分別表示的是對產線優化前后的數據。

表3 拉力可靠性數據—優化前

表4 拉力可靠性數據—優化后

實驗期間，每天對電池片的拉力可靠性測試都符合生產標準。

在實驗期間PERC 測試機14d 外觀漏漿缺陷趨勢圖如圖6 所示。

圖6 外觀漏漿缺陷趨勢圖

在14d 的數據記錄中，通過數據對比可看出，在優化產線過后，電池片外觀漏漿缺陷有明顯的降低。

3.2.3 實驗結論

1） 通過上述實驗對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發現實習單位生產的電池片符合市場標準。

2） 在經過 AOI 的時候每天分別產生 27、51、71、10、34、27、67、83、28、16、26、67、38、68 片碎片。 其中 10.18 夜發現了大批邊緣漏漿。

3） 從圖6 發現在沒有對產線優化前每天漏漿的比列在0.298%左右，雖然不高，但是在對產線優化后發現每天漏漿的比例是0.149%，殘次品的比例降低了很多，并且因為不允許存在邊緣漏漿，所以在檢測漏漿時要求都是特別嚴格。

4） 通過AOI 數據在對產線進行巡查時發現設備中存在的幾處問題。①缺陷原因：網版使用壽命已到，因為網版長時間處于工作狀態導致網版的張力變小，從而網孔變大導致印刷時漿料過量漏出。優化方法：通知生產更換網版，如果漏漿電池片數量過多，在這種情況下當班次生產的太陽能電池片全部隔離，等待返工。②缺陷原因：如果在印刷時漿料中混有顆粒（碎片），刮刀在將漿料擠壓到網孔過程中的同時也會將顆粒(碎片)向網版上擠壓，在一系列復雜的作用力下網版被刮破，導致漿料過量漏出。優化方法：通知生產更換漿料，如果更換完漿料還存在漏漿缺陷，則需對印刷機中的皮帶進行檢查。 ③缺陷原因：印刷時壓力過大。 在壓力模式下，印刷過程中刮刀對網版有向下的壓力以及與印刷方向同向的摩擦力，向下壓力越大，摩擦力越大。 當摩擦力大過網版彈性形變產生的回復力時，網版很有可能出現破裂，導致漏漿。 優化方法：降低機器壓力參數。 降低刮刀與網版間的壓力、摩擦力，避免網版破裂。

通過兩組實驗數據對比可知在發現問題并對產線優化后漏漿的不良率明顯降低，最多降低了0.378%。

4 結束語

近年來，由于國家對太陽能發展的優惠政策，企業開始重視太陽能各個方面的發展。 作為太陽能發電的主要載體，太陽能電池片的表面質量決定了其光電轉換效率和生產成本，所以在實際生產過程中企業對電池片表面質量把控非常嚴格[5]。 本文主要是針對在太陽能表面缺陷出現的問題，如：虛印和漏漿，通過查閱資料，對比實驗中電性能、 拉力可靠性和AOI 數據，分析這幾種缺陷產生的原因，然后通過優化生產流程中設備存在的問題，來減少不良片產生的比例。 經過上述一系列對產線的優化，通過實驗前后數據對比可以了解到漏漿最多降低0.378%，斷柵最多降低0.287%。