光致發(fā)光（PL）檢測技術(shù)在太陽電池生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 曾 光 薛永勝 劉小宇

1 背景

太陽電池的質(zhì)量直接決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率及使用壽命。

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏生產(chǎn)企業(yè)遍地開花。有限的市場需求造成了企業(yè)之間競爭激烈，提高效率和降低成本成為整個行業(yè)的共同目標(biāo)。

在晶體硅太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多嚴(yán)重的質(zhì)量問題，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(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時，由于沒有完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，硅片原材料質(zhì)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(zhǔn)確的定位檢驗方法來檢驗生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

對于生產(chǎn)企業(yè)來講，把好原材料質(zhì)量關(guān)、控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高成品率、避免生產(chǎn)過程中的浪費是降低生產(chǎn)成本、提高競爭力的有效手段。

光致發(fā)光檢測技術(shù)可以在極短時間確定硅片缺陷狀況及其分布，非常適合應(yīng)用到硅片質(zhì)量控制、電池片生產(chǎn)工藝分析中。研發(fā)光致發(fā)光檢測設(shè)備，并應(yīng)用于晶體硅材料及生產(chǎn)過程中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的實際意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

在物理材料研究領(lǐng)域，光致發(fā)光技術(shù)（P L）的應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)，應(yīng)用于半導(dǎo)體材料進行無損測量的光譜測定方法，能夠快速、無損的分析材料的結(jié)構(gòu)、成分與品質(zhì)。但其存在測試范圍?。ㄎ⒚准墑e），環(huán)境要求高（探測器需零下50℃制冷），在光伏晶體硅材料及太陽電池（均屬于大面積光伏器件）測試領(lǐng)域一直未能應(yīng)用。近幾年來，伴隨著激光技術(shù)和電子成像技術(shù)的發(fā)展，光致發(fā)光技術(shù)在光伏領(lǐng)域的測試有了突破性進展。

國外在此領(lǐng)域的研究起步于2005年，現(xiàn)已掌握核心技術(shù)。未來將在此儀器的分析應(yīng)用上進一步發(fā)展。光伏晶硅材料、太陽電池工藝過程片及成品檢測技術(shù)的專利擁有者是澳大利亞新南威爾士大學(xué)，該大學(xué)不僅掌握了核心技術(shù)，而且與BT Image公司合作進入了實際應(yīng)用階段。

之前，受國外技術(shù)壟斷影響，國內(nèi)在光致發(fā)光設(shè)備領(lǐng)域基本空白，因此無法將此技術(shù)投入到應(yīng)用領(lǐng)域。隨著技術(shù)實力的增強，上海太陽能工程技術(shù)研究中心等企業(yè)在光致發(fā)光檢測設(shè)備的研發(fā)上有了重大的突破。國產(chǎn)PL檢測設(shè)備已經(jīng)面向市場，一些先行的電池片生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)率先將光致發(fā)光檢測技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品質(zhì)量控制中。

圖1 檢測原理示意圖

3 光致發(fā)光檢測技術(shù)概述

3.1 光致發(fā)光檢測原理：

光致發(fā)光的原理是利用光源激發(fā)硅片或太陽電池片，使硅片或硅太陽電池片發(fā)出特定波長的光，然后通過濾光以及特殊感光元件采集特定波長的發(fā)光信號，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出太陽電池片表面的缺陷?？捎糜跈z測硅片、電池過程片、電池片的隱裂、碎片、材料缺陷、結(jié)晶缺陷、硅片污染等缺陷（參見圖1）。

3.2 技術(shù)特點：

作為一種新型的檢測手段，光致發(fā)光檢測技術(shù)有許多領(lǐng)先的技術(shù)特點：

○測試速度快：0.2秒/片，可在線式全檢設(shè)計；

○非接觸式：無需探針等機械接觸；

○適用范圍廣：硅碇、硅片、電池過程片、電池片；

○檢測缺陷種類多：隱裂、碎片、材料缺陷、結(jié)晶缺陷、金屬污染；

這些特點是其受到太陽電池檢測行業(yè)青睞的根本原因。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢：

目前，太陽電池生產(chǎn)行業(yè)較為主流的缺陷檢測手段為電致發(fā)光（EL）檢測，其檢測速度較慢，只能進行樣品抽檢，碎片率高，很難滿足在線全檢的需要。相比于EL檢測，光致發(fā)光（PL）有著無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢，詳見表1。

4 應(yīng)用范圍

光致發(fā)光檢測技術(shù)可以在極短時間確定硅片缺陷狀況及其分布，非常適用于硅片質(zhì)量控制、電池片生產(chǎn)工藝分析中。研發(fā)光致發(fā)光檢測設(shè)備，并應(yīng)用于晶體硅材料及生產(chǎn)過程中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的實際意義。

表1 EL與PL技術(shù)對比

4.1 硅片原材料缺陷檢測

由于硅片存在隱裂、表面污染等缺陷，在硅片交易過程中，缺少可靠的儀器和手段對貨物進行質(zhì)量檢測，就會使這些缺陷硅片流入生產(chǎn)線，對產(chǎn)品的平均效率產(chǎn)生巨大的影響。電池片生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍快，普通的檢測方法不能夠?qū)^程片進行全檢，只能對成品電池片進行功率的分選，致使企業(yè)被動的接受而無法減少和避免原材料及工藝缺陷帶來的損失。

硅片原材料缺陷檢測為硅片缺陷檢測提供有效的測試手段，有助于規(guī)范硅片交易市場，提升太陽電池原材料輸入質(zhì)量水平。

現(xiàn)行硅片來料檢測僅局限于幾何尺寸、方塊電阻的檢測，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全檢，但不能檢測出硅片內(nèi)部缺陷的分布以及程度。這些內(nèi)部缺陷是現(xiàn)行技術(shù)無法檢測出來的，少子壽命測試儀雖然能夠間接地通過少子壽命推算出缺陷程度，但只能測試幾個代表點，如中心和四個角，不能反映硅片整體的缺陷信息，如果要對硅片進行全面的缺陷掃描，測試時間需要5-10分鐘，不能滿足生產(chǎn)需求。

光致發(fā)光檢測技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了硅片缺陷全檢，可以快速地反映硅片整體缺陷信息，如隱裂、漩渦、邊角發(fā)黑、位錯等。

光致發(fā)光檢測技術(shù)在硅片原材料缺陷檢測中廣泛應(yīng)用，勢必會為硅片交易市場帶來一場變革，有效的約束了硅片的質(zhì)量，進而有助于硅片市場相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的形成。

4.2 電池片生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

光致發(fā)光檢測儀器為太陽電池工藝過程片分析提供有效分析手段，有助于關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制和工藝改進，同時也為在線式缺陷控制提供技術(shù)可行性?？蓹z測的工藝涵蓋了清洗、制絨、擴散、PECVD、刻蝕、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、分檔等各個環(huán)節(jié)。

光致發(fā)光檢測儀器為缺陷定量分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。光致發(fā)光技術(shù)可以定量分析晶硅少子壽命，直觀的表現(xiàn)出不同類型的缺陷對少子壽命的影響，通過光致發(fā)光檢測設(shè)備，研究P L圖譜與少子壽命、擴散長度、旁路節(jié)電阻、串聯(lián)電阻等參數(shù)之間的關(guān)系，對缺陷類型及分布對電池片效率造成的影響進行分析，可以建立一個缺陷量化分析的科學(xué)依據(jù)。對進一步改進電池片生產(chǎn)工藝、提高電池片效率具有指導(dǎo)意義。

光致發(fā)光檢測設(shè)備在電池片生產(chǎn)制備過程中的應(yīng)用，有利于光伏技術(shù)科學(xué)研究的跳躍式發(fā)展。

4.3 科研應(yīng)用前景

隨著此光致發(fā)光檢測技術(shù)的不斷推廣，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)將重點關(guān)注其在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。此技術(shù)可應(yīng)用于進行材料提純、摻雜濃度、雜質(zhì)能級分布、雜質(zhì)能級激發(fā)復(fù)合機理方面的研究。為新型材料的開發(fā)和制備提供檢測依據(jù)。

5 小結(jié)

光致發(fā)光檢測技術(shù)作為一種新型的快速無損檢測手段，可以廣泛地應(yīng)用到太陽電池硅材料檢測以及太陽電池生產(chǎn)制備過程中的質(zhì)量控制與新產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域。該技術(shù)在國內(nèi)獲得突破后，已經(jīng)有部分企業(yè)將其納入了生產(chǎn)工藝的重要一環(huán)，并大大提高了其產(chǎn)品的效率和壽命。隨著該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用，將有利于硅片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及光伏技術(shù)科學(xué)研究的跳躍式發(fā)展。