光致發光技術在太陽電池缺陷檢測中的應用研究與分析

作者：嚴婷婷，張光春，李果華，汪義川，陳如龍，李波

近年來，光伏產業發展迅猛，提高效率和降低成本成為整個行業的目標。在晶體Si太陽電池的薄片化發展過程中，出現了許多嚴重的問題，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光電轉化效率和使用壽命。同時，由于沒有完善的行業標準，Si片原材料質量也是參差不齊，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，太陽能行業需要有快速有效和準確的定位檢驗方法來檢驗生產環節可能出現的問題。

發光成像方法為太陽電池缺陷檢測提供了一種非常好的解決方案，這種檢測技術使用方便，類似透視的二維化面檢測。本文討論的是光致發光技術在檢測晶體Si太陽電池上的應用。光致發光（photoluminescence，PL）檢測過程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發射及CCD成像四個階段。通常利用激光作為激發光源，提供一定能量的光子，Si片中處于基態的電子在吸收這些光子后而進入激發態，處于激發態的電子屬于亞穩態，在短時間內會回到基態，并發出以1150 nm的紅外光為波峰的熒光。利用冷卻的照相機鏡頭進行感光，將圖像通過計算機顯示出來。發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，在圖像上表現出來就成為暗色的點、線，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，通過觀察光致發光成像能夠判斷Si片或電池片是否存在缺陷。

1 實驗

實驗選取大量低效率電池進行研究，現舉典型PL圖像進行分析說明。電池所用Si片為125 mm×125 mm，厚度（200±10）μm，晶向，p型CZ太陽能級Si片。PL測試儀器的基本結構如圖1，激光源波長為808 nm，激光裝置中帶有均化光器件，使光束在測量的整個區域均勻發光。由于載流子的注入，Si片或電池片中會產生電流使其發出熒光，在波長為1 150 nm時的紅外光最為顯著，所以選用了適當的濾光片和攝像頭組合，使波長在1 150 nm附近的熒光得以最大的通過。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，曝光時間為1 s。整個實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基高效太陽電池的首選材料。然而，單晶Si內部雜質和晶體缺陷的存在會影響太陽電池的效率，比如：B-O復合體的存在會導致單晶電池的光致衰減；內部金屬雜質和晶體缺陷（位錯等）的存在會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光圖像，發現除電池柵線外圖像灰度均勻。

圖3為Si片原材料存在嚴重缺陷的電池PL圖片，分別俗稱“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出的1 150 nm的紅外光強度較其他部分弱，說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程對晶體缺陷的形成與生長起著決定性的作用。提高晶體的溫度梯度，能提高晶體的生長速率，但過大的熱應力極易產生位錯。在圖3（b）中甚至可以很清楚地看到旋渦缺陷，旋渦缺陷是點缺陷的*，產生于晶體生長時，微觀生長速率受熱起伏而產生的周期性變化造成雜質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，從而影響太陽電池效率。

2.2 擴散工藝

擴散是制備晶體Si太陽電池的關鍵工藝步驟，其直接決定著電池的光電轉換效率。擴散的要求是獲得適合于太陽電池p-n結需要的結深和擴散層的方塊電阻，當p-n結較淺時，電池短波響應好，但同時淺結會引起串聯電阻增加。結深過深，死層比較明顯，高擴散濃度會引起重摻雜效應，使電池開路電壓和短路電流均下降。在利用絲網印刷制電極的電池制作中，考慮到各個因素，太陽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?。ǚ娇蛱帲?，說明生產過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，通過四探針測試儀測量方塊電阻，發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，前者可以通過肉眼直接觀察到，而隱裂片即使通過顯微鏡也難以察覺。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），如光學顯微鏡所示。隱裂片的PL圖像和光學照片如圖5（b）所示，通過PL圖像可以在電池左右下角發現十字形裂紋，而在500倍的光學顯微鏡下卻沒發現任何異常。研究發現，十字形隱裂可能產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，但是當其到達熔點溫度的60％（約740℃）以上時具有韌性。當裝有Si片的石英舟被推入高溫擴散爐時，具有很大面積厚度比的Si片受到的不均勻加熱使得Si片中產生很大的溫度梯度，相應地產生了很大的熱應力，當應力超過Si的屈服強度時，擴散誘生缺陷就會產生。若組件中出現隱裂電池片，在經過熱力循環、拉力等可靠性測試時很可能演變為破碎，將影響到整個組件的發電量，甚至威脅到整個光伏電站的安全。

2.4 其他情況

PL還可以校驗其他參數，例如擴散長度、位錯密度、電極不良、氧含量及過渡金屬雜質濃度等，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監督作用。本文關注的是單晶Si太陽電池檢測，對于多晶Si電池，晶界處會出現灰度降低情況，但并不影響整體分析效果。PL成像優勢包括測量時間短；對樣品沒有絲毫破壞性；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，因此對樣品尺寸沒有限制。理論上PL可以測量電池串和組件，但實際上要使光均勻照射在組件上還是具有挑戰性，因此PL多用于電池的質量控制。

3 結語

利用光致發光檢測可以立即發現生產中存在的問題，及時排除，從而提高電池平均效率。目前，PL仍處于定性的檢測階段，技術的開發方向是引入與發光強度相應的量化指標，量化指標對于太陽電池生產的指導意義更大。PL取代接觸式測量方法是其一大優勢，具有在生產中規?；瘧玫木薮鬂摿?。

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