10分鐘簡析如何通過觀測多晶硅片預(yù)知電池效率

:太陽能電池組件成本控制的第一要義是檢測表征。通過表征發(fā)現(xiàn)問題，知道問題的來源從而對癥下藥，是降低生產(chǎn)成本、提高良率的關(guān)鍵。一個優(yōu)秀的表征手段，需要快、準(zhǔn)、但不狠?？焓侵覆荒苡绊懏a(chǎn)能，而且盡量在生產(chǎn)流程的上游發(fā)現(xiàn)問題；準(zhǔn)是要能夠精確判斷問題，精確量化問題的程度；不狠是指不能對測量的樣品造成損害。今天兔子簡析的就是光致發(fā)光PL這樣一個技術(shù)，符合優(yōu)秀表征手段具備的所有要素。而PL最酷的應(yīng)用之一，就是通過拍攝切好的多晶硅硅片，來準(zhǔn)確的預(yù)知電池效率。

場景一：等到電池都做出來了測了效率才知道用了垃圾硅片做了一批垃圾電池？太晚啦！人力、水電氣、物料、機(jī)器折損都白搭進(jìn)去了，悔死！

場景二：電池產(chǎn)線的最前端讓硅片擺個pose照個相。垃圾硅片？別在上面追加一分生產(chǎn)成本，直接扔掉，或者找硅片供應(yīng)商扯皮去！

這就是前端PL的價值所在。

1) 光致發(fā)光PL的原理

技術(shù)很高深，原理很難懂，但是用一兩句話也能大致說的清楚。儀器最重要的部分是光源和攝像頭。用一個光源去照射一張硅片，光熄滅以后攝像頭還能檢測到硅片發(fā)光。

為什么硅片會發(fā)光呢？因為硅片吸光以后會激發(fā)多余的載流子，載流子再輻射復(fù)合就發(fā)光了。

硅片發(fā)光強(qiáng)弱說明什么呢？1. 光吸收的多發(fā)的光就多，比如制絨好、硅片厚。2.在同等吸光的條件下，發(fā)光越強(qiáng)證明非輻射復(fù)合越少，推斷硅片質(zhì)量越好。

所以通過判斷吸光因素歸一化后的發(fā)光狀況，就可以用來評判硅片質(zhì)量啦。

2) 光致發(fā)光PL預(yù)知電池效率

原理清楚了，就看怎么操作。大致的步驟：

1. 拍1000來個片子先。

2. 把這些片子做成電池，測量他們的性能。

3. 訓(xùn)練出某種模型，找出PL照片和最終電池性能的關(guān)聯(lián)。

4. 新來的硅片，PL拍照，套入模型，得到性能預(yù)測！

5. 硅片分檔或者扔掉。

3) 怎么訓(xùn)練模型？

明眼人一看就知道1-5步里面，最關(guān)鍵是3套用什么樣的模型。還是那句話，說起來簡單，做起來高端。

簡單粗暴的辦法：把照片切分成若干像素單元，然后數(shù)一數(shù)亮的有多少，暗的有多少，給亮度賦予不同的權(quán)重，再對像素面積求和（Wagner, JAP, 2013）。怎么加權(quán)？幾何平均，算術(shù)平均，調(diào)和平均，還是自己定義一個，哪個好？或是都不理想？這個加權(quán)值，你可能需要在同一條產(chǎn)線上，用更多的數(shù)據(jù)來喂，或者特意的去測量一些有表面鈍化的片子，或者用單晶片來修正模型。總而言之，這種方法是前期工作要做足，工作做好了后面就來的快了。但是換了不同的硅片，換了不同電池，有得要重新校對。

貌似更酷炫的辦法： 讓我們數(shù)像素的多少，這也太低級了把！PERC和Al-BSF的電池，即使像素數(shù)出來一樣，結(jié)果也完全不一樣啊！一般多晶硅和高效多晶硅，結(jié)果又完全不一樣啊！這樣，那我們就用時髦的圖像識別機(jī)器學(xué)習(xí)吧（Memant, PIP, 2016）。晶界是這樣的圖像模式，位錯長那樣，污染又是這樣。我們把他們一一識別出來進(jìn)行加權(quán)；再把不同亮度進(jìn)行加權(quán)；不停喂數(shù)據(jù)，讓機(jī)器學(xué)習(xí)圖像模式去！這種辦法，建模難度倍增，精度也未見得無比精確，但確實廣泛適用于各種不同的硅片來源以及各種不同的電池制作工藝。