光致發(fā)光技術在檢測晶體Si太陽電池缺陷的應用

　　引言

　　近年來，光伏產業(yè)發(fā)展迅猛，提高效率和降低成本成為整個行業(yè)的目標。在晶體Si太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)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(yè)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(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，太陽能行業(yè)需要有快速有效和準確的定位檢驗方法來檢驗生產環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

　　發(fā)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(fā)光技術在檢測晶體Si太陽電池上的應用。光致發(fā)光(photoluminescence，PL)檢測過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入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時間內會回到基態(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行感光，將圖像通過計算機顯示出來。發(fā)光的強度與本位置的非平衡少數(shù)載流子的密度成正比，而缺陷處會成為少數(shù)載流子的強復合中心，因此該區(qū)域的少數(shù)載流子密度變小導致熒光效應減弱，在圖像上表現(xiàn)出來就成為暗色的點、線，或一定的區(qū)域，而在電池片內復合較少的區(qū)域則表現(xiàn)為比較亮的區(qū)域。因此，通過觀察光致發(fā)光成像能夠判斷Si片或電池片是否存在缺陷。

　　1 實驗

　　實驗選取大量低效率電池進行研究，現(xiàn)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<100>，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(qū)域均勻發(fā)光。由于載流子的注入，Si片或電池片中會產生電流使其發(fā)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?shù)臑V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(shù)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(lián)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(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，進而提高電池的轉換效率。

　　圖4(a)PL圖像右側出現(xiàn)陰影，還可以看到清晰手指印(方框處)，說明生產過程存在工藝污染現(xiàn)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(qū)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(fā)現(xiàn)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(qū)域對應在PL圖片上是一塊灰度低的區(qū)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(fā)現(xiàn)十字形裂紋，而在500倍的光學顯微鏡下卻沒發(fā)現(xiàn)任何異常。研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)隱裂電池片，在經過熱力循環(huán)、拉力等可靠性測試時很可能演變?yōu)槠扑椋瑢⒂绊懙秸麄€組件的發(fā)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(shù)，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(wèi)生方面更是起著監(jiān)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(xiàn)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(zhàn)性，因此PL多用于電池的質量控制。

　　3  結語

　　利用光致發(fā)光檢測可以立即發(fā)現(xiàn)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(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(yōu)勢，具有在生產中規(guī)?；瘧玫木薮鬂摿?。