晶体硅太阳电池及组件EL测试介绍

索比光伏网讯:摘 要 本文基于电致发光（Electroluminescence,EL）的理论，介绍了利用近红外检测的方法，检测出了晶体硅太阳电池及组件中常见的隐性缺陷。这些缺陷包括：硅材料缺陷、扩散缺陷、印刷缺陷、烧结缺陷以及组件封装过程中的裂纹等，并简要分析了造成这些缺陷的原因。

近年来随着光伏行业的迅猛发展，光伏组件质量控制环节中测试手段的不断增强，原来的外观和电性能测试已远远不能满足行业的需求。目前一种可以测试晶体硅太阳电池及组件潜在缺陷的方法为行业内广泛采用，即EL测试。EL是英文electroluminescence的简称，译为电致发光或场致发光。目前EL测试技术已被很多晶体硅太阳电池及组件厂家应用，用于产品的成品检验和在线产品质量控制。

1. EL测试的原理

在太阳电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在正向偏置电压下，p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理[1]。发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。在太阳能电池两端加入正向偏压, 其发出的光子可以被灵敏的CCD 相机获得, 即得到太阳电池的辐射复合分布图像。但是电致发光强度非常低, 而且波长在近红外区域，要求相机必须在900-1100nm 具有很高的灵敏度和非常小的噪声。

EL测试的过程如图1所示，晶体硅太阳电池外加正向偏置电压，直流电源向晶体硅太阳电池注入大量非平衡载流子，太阳电池依靠从扩散区注入的的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子，也就是光伏效应的逆过程；再利用CCD相机捕捉到这些光子，通过计算机进行处理后以图像的形式显示出来，整个过程都在暗室中进行。

EL测试的图像亮度正比于电池片的少子寿命（或少子扩散长度）与电流密度，太阳电池中有缺陷的地方，少子扩散长度较低，所以显示出来的图像亮度较暗。通过EL测试图像的分析可以有效的发现太阳电池及组件的缺陷，包括硅材料缺陷、扩散缺陷、印刷缺陷、烧结缺陷以及组件封装过程中的裂纹等。



图1 EL测试原理图

2. EL测试常见缺陷及分析

2.1 破片

组件中的破片多出现在焊接和层压工序，EL测试图如图2所示。



图2 破片EL测试图

2.2 隐裂

太阳能电池所采用的硅材料脆度较大，因此在电池片生产和组件封装过程中很容易产生裂片。裂片分两种一种是显裂，一种是隐裂。显裂是肉眼可直接看到，在制作组件之前就可以剔除；而隐裂则不行，并且在组件制作过程中更容易产生碎片等问题。

通过EL测试图就可以观测到，如图3所示，由于单晶硅（100）面的解离面是（111），因此单晶电池的隐裂一般沿着硅片的对角线方向的“X”装图形。但是由于多晶硅片存在晶界的影响有时很难区分晶界与隐裂，见图4区域。



图3 单晶隐裂EL测试图



图4 多晶隐裂EL测试图

2.3 断栅

断栅主要是由与电池片本身栅线印刷不良和焊接过程造成的。从EL测试图中可以看出显示为黑线状，这是因为在栅线断掉后，从主栅线上注入的电流在断栅附近电流密度很小甚至没有，从而导致EL发光强度下降或不发光。



图5 断栅EL测试图

2.4 烧结缺陷

一般而言，烧结参数没有优化或设备存在问题时，EL测试图上会显示网袋印（图6）。采用顶针式或斜坡式的网袋则可有效消除网袋问题，图7是顶针式烧结炉里出来的电池，图中的黑点就是顶针的位置。



2.5 黑心片

图8就是我们一般所说的“黑心”片的EL测试图。在图中我们可以清晰的看到漩涡缺陷，它们是点缺陷的聚集，产生于硅棒生长时期。此种材料缺陷势必导致硅的少数载流子浓度降低，降低该区域的发光强度。



图8 黑心片EL测试图

2.6 电池片混挡

一块组件的EL测试图中有部分电池片发光强度较弱（图9），由于这些电池片的电流或电压分档与该组件中大部分电池片不一致造成的。




图9 混挡EL测试图

2.7 电池片电阻不均匀

EL测试电池表面发光强度不均匀(图10)，这是由于电阻不均匀引起的, 较暗区域一般串联电阻较大。这种缺陷能反应少子寿命的分布情况，缺陷部位少子跃迁机率降低，故电致发光图片上显现为暗色。



图10 电池电阻不均匀EL测试图

3 结论

电致发光（Electroluminescence ,EL）的检测方法，利用电致发光原理对晶硅太阳电池及组件做了近红外成像测试，通过EL测试图迅速地检测出了太阳电池及组件中可能存在的缺陷，是一种有效的检测电池、组件的方法。EL测试在太阳电池及组件质量分析和控制发挥越来越重要的作用。

参考文献
[1] 刘恩科, 朱秉生, 罗晋生等. 半导体物理学[M]. 西安: 西安交通大学出版社，1998:286
[2] 郑建邦，任驹，郭文阁等. 太阳电池内部电阻对其输出特性影响的仿真[J].太阳能学报,2006,27(2):121-125

文章作者：李景华 林晨 孙柯