光致發(fā)光技術(shù)在Si基太陽(yáng)電池缺陷檢測中的應用

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，提高效率和降低成本成為整個(gè)行業(yè)的目標。在晶體Si太陽(yáng)電池的薄片化發(fā)展過(guò)程中，出現了許多嚴重的問(wèn)題，如碎片、電池片隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池的led/' target='_blank'>光電轉化效率和使用壽命。同時(shí)，由于沒(méi)有完善的行業(yè)標準，Si片原材料質(zhì)量也是參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統的穩定性。因此，太陽(yáng)能行業(yè)需要有快速有效和準確的定位檢驗方法來(lái)檢驗生產(chǎn)環(huán)節可能出現的問(wèn)題。

發(fā)光成像方法為太陽(yáng)電池缺陷檢測提供了一種非常好的解決方案，這種檢測技術(shù)使用方便，類(lèi)似透視的二維化面檢測。本文討論的是光致發(fā)光技術(shù)在檢測晶體Si太陽(yáng)電池上的應用。光致發(fā)光(photoluminescence，PL)檢測過(guò)程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發(fā)射及CCD成像四個(gè)階段。通常利用激光作為激發(fā)光源，提供一定能量的光子，Si片中處于基態(tài)的電子在吸收這些光子后而進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩態(tài)，在短時(shí)間內會(huì )回到基態(tài)，并發(fā)出以1150 nm的紅外光為波峰的熒光。利用冷卻的照相機鏡頭進(jìn)行感光，將圖像通過(guò)計算機顯示出來(lái)。發(fā)光的強度與本位置的非平衡少數載流子的密度成正比，而缺陷處會(huì )成為少數載流子的強復合中心，因此該區域的少數載流子密度變小導致熒光效應減弱，在圖像上表現出來(lái)就成為暗色的點(diǎn)、線(xiàn)，或一定的區域，而在電池片內復合較少的區域則表現為比較亮的區域。因此，通過(guò)觀(guān)察光致發(fā)光成像能夠判斷Si片或電池片是否存在缺陷。

1 實(shí)驗

實(shí)驗選取大量低效率電池進(jìn)行研究，現舉典型PL圖像進(jìn)行分析說(shuō)明。電池所用Si片為125 mm×125 mm，厚度(200±10)μm，晶向100>，p型CZ太陽(yáng)能級Si片。PL測試儀器的基本結構如圖1，激光源波長(cháng)為808 nm，激光裝置中帶有均化光器件，使光束在測量的整個(gè)區域均勻發(fā)光。由于載流子的注入，Si片或電池片中會(huì )產(chǎn)生電流使其發(fā)出熒光，在波長(cháng)為1 150 nm時(shí)的紅外光最為顯著(zhù)，所以選用了適當的濾光片和攝像頭組合，使波長(cháng)在1 150 nm附近的熒光得以最大的通過(guò)。冷卻的攝像頭(-50℃)在室溫暗室中可以感光并生成512×512像素的圖像，曝光時(shí)間為1 s。整個(gè)實(shí)驗裝置由微機程序控制。雖然PL可以直接測量Si片，但為了實(shí)驗的對比性，本文均采用對電池的測量圖像作對比。

2 結果與分析

2.1 原材料原因

單晶Si由于本身內部長(cháng)程有序的晶格結構，其電池效率明顯高于多晶Si電池，是Si基高效太陽(yáng)電池的首選材料。然而，單晶Si內部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會(huì )影響太陽(yáng)電池的效率，比如：B-O復合體的存在會(huì )導致單晶電池的光致衰減；內部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷(位錯等)的存在會(huì )成為少數載流子的復合中心，影響其少子壽命。圖2為高效率電池光致發(fā)光圖像，發(fā)現除電池柵線(xiàn)外圖像灰度均勻。

圖3為Si片原材料存在嚴重缺陷的電池PL圖片，分別俗稱(chēng)“黑邊”和“黑心”片，PL圖像中的黑心和黑邊是反映在光照條件下該部分發(fā)出的1 150 nm的紅外光強度較其他部分弱，說(shuō)明該處有影響電子和空穴的輻射復合的因素存在。對于直拉單晶Si，拉棒系統中的熱量傳輸過(guò)程對晶體缺陷的形成與生長(cháng)起著(zhù)決定性的作用。提高晶體的溫度梯度，能提高晶體的生長(cháng)速率，但過(guò)大的熱應力極易產(chǎn)生位錯。在圖3(b)中甚至可以很清楚地看到旋渦缺陷，旋渦缺陷是點(diǎn)缺陷的*，產(chǎn)生于晶體生長(cháng)時(shí)，微觀(guān)生長(cháng)速率受熱起伏而產(chǎn)生的周期性變化造成雜質(zhì)有效分凝系數起伏造成的。旋渦缺陷典型位錯密度為106～107cm-3，遠高于太陽(yáng)能級單晶Si片所要求的缺陷密度(小于3 000 cm-3)。

原材料缺陷勢必導致Si襯底非平衡少數載流子濃度降低，造成擴散結面不平整，p-n結反向電流變大，從而影響太陽(yáng)電池效率。

2.2 擴散工藝

擴散是制備晶體Si太陽(yáng)電池的關(guān)鍵工藝步驟，其直接決定著(zhù)電池的光電轉換效率。擴散的要求是獲得適合于太陽(yáng)電池p-n結需要的結深和擴散層的方塊電阻，當p-n結較淺時(shí)，電池短波響應好，但同時(shí)淺結會(huì )引起串聯(lián)電阻增加。結深過(guò)深，死層比較明顯，高擴散濃度會(huì )引起重摻雜效應，使電池開(kāi)路電壓和短路電流均下降。在利用絲網(wǎng)印刷制電極的電池制作中，考慮到各個(gè)因素，太陽(yáng)電池的結深一般控制在0.3～0.5μm，方塊電阻在40～50Ω／□，選擇的熱擴散方法為液態(tài)源擴散法。Si片單片方塊電阻的均勻性是衡量高溫擴散效果的重要指標。方塊電阻均勻性的提高使得電池的p-n結平整性變好，能夠提高光生載流子的收集概率，增加短路電流，進(jìn)而提高電池的轉換效率。

圖4(a)PL圖像右側出現陰影，還可以看到清晰手指印(方框處)，說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程存在工藝污染現象。該電池片的光生誘導電流測試圖如圖4(b)，可以看到與PL圖像對應處的誘導電流很低，也驗證了電池對應區域存在載流子的強復合中心。利用硝酸溶液將電池電極腐蝕掉，通過(guò)四探針測試儀測量方塊電阻，發(fā)現右側方塊電阻很大，擴散嚴重不均勻。

2.3 裂紋分析

裂紋分顯裂和隱裂，前者可以通過(guò)肉眼直接觀(guān)察到，而隱裂片即使通過(guò)顯微鏡也難以察覺(jué)。如圖5所示，圖5(a)為顯裂片，裂紋區域對應在PL圖片上是一塊灰度低的區域(方框處)，如光學(xué)顯微鏡所示。隱裂片的PL圖像和光學(xué)照片如圖5(b)所示，通過(guò)PL圖像可以在電池左右下角發(fā)現十字形裂紋，而在500倍的光學(xué)顯微鏡下卻沒(méi)發(fā)現任何異常。研究發(fā)現，十字形隱裂可能產(chǎn)生于由擴散工藝誘生的二次缺陷。眾所周知，雖然Si材料在室溫下極脆，但是當其到達熔點(diǎn)溫度的60％(約740℃)以上時(shí)具有韌性。當裝有Si片的石英舟被推入高溫擴散爐時(shí)，具有很大面積厚度比的Si片受到的不均勻加熱使得Si片中產(chǎn)生很大的溫度梯度，相應地產(chǎn)生了很大的熱應力，當應力超過(guò)Si的屈服強度時(shí)，擴散誘生缺陷就會(huì )產(chǎn)生。若組件中出現隱裂電池片，在經(jīng)過(guò)熱力循環(huán)、拉力等可靠性測試時(shí)很可能演變?yōu)槠扑?，將影響到整個(gè)組件的發(fā)電量，甚至威脅到整個(gè)光伏電站的安全。

2.4 其他情況

PL還可以校驗其他參數，例如擴散長(cháng)度、位錯密度、電極不良、氧含量及過(guò)渡金屬雜質(zhì)濃度等，這取決于CCD的靈敏度。PL的測量范圍能夠從剛切割的Si片到電池，可以依次在每步測量結果的基礎上，*估任一單獨的工藝對最終電池功效的影響，在工藝衛生方面更是起著(zhù)監督作用。本文關(guān)注的是單晶Si太陽(yáng)電池檢測，對于多晶Si電池，晶界處會(huì )出現灰度降低情況，但并不影響整體分析效果。PL成像優(yōu)勢包括測量時(shí)間短；對樣品沒(méi)有絲毫破壞性；非接觸測量，可以支持Si片薄片化趨勢；測量能在室溫下進(jìn)行，測量對象與光源之間的距離靈活可調，因此對樣品尺寸沒(méi)有限制。理論上PL可以測量電池串和組件，但實(shí)際上要使光均勻照射在組件上還是具有挑戰性，因此PL多用于電池的質(zhì)量控制。

3 結語(yǔ)

利用光致發(fā)光檢測可以立即發(fā)現生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，及時(shí)排除，從而提高電池平均效率。目前，PL仍處于定性的檢測階段，技術(shù)的開(kāi)發(fā)方向是引入與發(fā)光強度相應的量化指標，量化指標對于太陽(yáng)電池生產(chǎn)的指導意義更大。PL取代接觸式測量方法是其一大優(yōu)勢，具有在生產(chǎn)中規?；瘧玫木薮鬂摿?。