晶体硅太阳电池及组件EL测试介绍

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【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。

【关键词】太阳电池；电致发光；电池缺陷

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经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测试技术已经被很多晶体硅太阳电池及组件生产厂家应用，用于晶体硅太阳电池及组件的成品检验或在线产品质量控制。

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测试的过程即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测试的图像亮度与电池片的少子寿命（或少子扩散长度）和电流密度成正比，太阳电池中有缺陷的地方，少子扩散长度较低，从而显示出来的图像亮度较暗。通过EL测试图像的分析可以清晰的发现太阳电池及组件存在的隐性缺陷，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。

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组件封装过程的焊接和层压工序，在EL测试图中表现为电池片中有黑块，因为电池片破裂后在电池片破裂部分没有电流注入，从而导致该部分在EL测试中不发光。

2.2隐裂

晶体硅太阳电池所采用的硅材料本身易碎，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，另一种是隐裂。显裂是肉眼可以直接看到的，在组件生产过程中的分选工序就可以剔除；而隐裂是肉眼无法直接看到的，并且在组件的制作过程中更容易产生破片等问题。由于单晶硅的解离面具有一定的规则，通过EL测试图可以清晰地看到单晶硅电池片的隐裂纹一般是沿着电池片对角线方向的“X”状图形；多晶硅电池片由于晶界的影响有时很难区分是多晶硅的晶界还是电池片中的隐裂纹。

2.3断栅

电池片的断栅主要是由于电池片本身栅线印刷不良或电池片不规范焊接造成的。从EL测试图中表现为沿电池片主栅线的暗线，这是因为电池片的副栅线断掉后，EL测试过程中从电池片主栅线上注入的电流在断栅附近处的电流密度很小甚至没有，从而导致电池片的断栅处在发光强度较弱或不发光。

2.4烧结缺陷

在电池片生产过程中，烧结工序工艺参数不佳或烧结设备存在缺陷时，生产出来的电池片在EL测试过程中会显示为大面积的履带印。实际生产中通过有针对性的工装改造就可以有效的消除履带印的问题。例如采用顶针式履带生产出来的电池片在EL测试图只能看到若干个黑点而没有大面积的履带印。

2.5黑芯片

黑芯片在EL测试图中我们可以清晰的看到从电池片中心到边缘逐渐变亮的同心圆，它们产生于硅材料生产阶段，与硅棒制作过程中氧的溶解度和分凝系数大有关。此种材料缺陷势必导致晶体硅电池片的少数载流子浓度降低，从而导致电池片中有此类缺陷的部分在EL测试过程中表现为发光强度较弱或不发光。

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与该组件中的大部分电池片相比较弱，这是由于这部分电池片的电流或电压分档与该组件中大部分电池片的电流或电压分档不一致造成的。

2.7电池片电阻不均匀

EL测试单个电池片表面发光强度不均匀，这是由于电池片电阻不均匀造成的, 较暗区域一般串联电阻较大。这种缺陷也能反应电池片少子寿命的分布状况，缺陷部位少子跃迁机率降低，在EL测试过程中表现为发光强度较弱。

3.结论

电致发光（Electroluminescence,EL）的检测方法，利用电致发光的原理对晶体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质量控制中发挥越来越重要的作用。　[科]

【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.