基于EL的太陽能電池局部缺陷與電流分析

賈 朋 ，王 昊 ，王昱涵 ，余加俊

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.河海大學(xué)企業(yè)管理學(xué)院，江蘇常州213022）

隨著人類對(duì)傳統(tǒng)化石能源的過度開采和利用，為保證能源的可持續(xù)性利用，可再生能源的開發(fā)與利用顯得尤為重要。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，各個(gè)國家都在著眼于核能、風(fēng)能、太陽能等可再生能源，其中太陽能取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)是其他能源所不具有的。對(duì)于太陽能的利用主要分為太陽能光電利用和太陽能光熱利用，太陽能的光電利用技術(shù)成熟，使用最為廣泛。光伏發(fā)電中太陽能電池板的質(zhì)量決定著光伏發(fā)電的效率，因此對(duì)太陽能電池組件的質(zhì)量檢測(cè)就十分重要，其中EL測(cè)試能直觀地看出太陽能組件中所存在的缺陷，成為組件質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在電池片出廠時(shí)，都會(huì)對(duì)電池片進(jìn)行電致發(fā)光檢測(cè)，通過觀察電致發(fā)光的圖像和對(duì)電池片的發(fā)電功率進(jìn)行電池片分類。

1 電致發(fā)光原理

EL測(cè)試又稱為太陽能電池片電致發(fā)光，也稱場(chǎng)致發(fā)光?，F(xiàn)在已經(jīng)成為一種檢測(cè)太陽能電池片質(zhì)量的普遍方法，在檢測(cè)和控制出廠電池片質(zhì)量發(fā)面發(fā)揮重要作用。在太陽能電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，因此電子和空穴用過勢(shì)壘區(qū)時(shí)因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。在正向偏置電壓下，P-N節(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是太陽能電池電致發(fā)光的基本原理[1]。

如圖1所示，為EL測(cè)試的基本組成部件和基本步驟，將電池片的正負(fù)極引出，利用外電源對(duì)電池片進(jìn)行正向偏壓處理，電池片發(fā)出的光子會(huì)被CCD相機(jī)所捕捉到。利用少子壽命、密度和光強(qiáng)之間的關(guān)系，即太陽能電池的店址發(fā)光強(qiáng)度正比于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，正比于電流密度，再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后顯示出來[1]。根據(jù)得出來的照片可以分析出電池片缺陷存在的位置和缺陷的形式。由于硅電池片的帶隙約為1.12 eV，所以晶體硅電池片的帶間直接符合的EL光譜的峰值在1 150 nm左右，所以EL測(cè)試時(shí)的過接近于紅外光線，因此只有在光強(qiáng)很弱的情況下，紅外光學(xué)相機(jī)才能捕捉的到。因此，整個(gè)光線捕捉裝置都在暗箱中進(jìn)行，同時(shí)要求CCD相機(jī)有很高的靈敏度和無噪性才能保證所拍攝的電池片的照片準(zhǔn)確可靠。

從EL測(cè)試的原理中可以看出，在電池片的缺陷處，比如隱裂、斷柵、碎片等地方的發(fā)光強(qiáng)度要弱于電池片的正常區(qū)域，可以直觀的看出原子級(jí)缺陷引起的功率損失的區(qū)域和物理破壞引起的缺陷形式、區(qū)域。

圖1 EL測(cè)試示意圖

2 太陽能電池片缺陷分類

太陽能電池片在加工制造和運(yùn)輸?shù)倪^程中會(huì)產(chǎn)生各種不同的缺陷，本篇文章根據(jù)電池片EL圖像的不同，首次將電池片的缺陷分成兩大類：原子級(jí)缺陷和物理級(jí)缺陷。顧名思義，原子級(jí)缺陷是太陽能電池片在生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生引起的“天生”的缺陷，例如電池片的高晶界、黑邊等；物理級(jí)缺陷是在電池片運(yùn)輸、層壓過程中由于碰撞等因素產(chǎn)生的，例如隱裂、碎片等。

2.1 原子級(jí)缺陷電池片

太陽能電池片在出廠之前都要經(jīng)過EL檢測(cè)來進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)。EL檢測(cè)由于其質(zhì)量高、成本低且能快速準(zhǔn)識(shí)別出組件電池單元常見缺陷等特點(diǎn)，在整個(gè)組件封裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。但是，在具體的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，有很多電池片的缺陷形式在EL檢測(cè)中不明顯，由于是硅片自身結(jié)構(gòu)的問題，因此本篇文章將這類缺陷形式統(tǒng)稱為原子級(jí)缺陷。

圖2所示為正常電池片的EL圖像，圖像中可以明顯看出電池片上的柵線，電池片表面較暗區(qū)域我們認(rèn)為在正常發(fā)電情況下發(fā)電功率較低的區(qū)域；圖3為漏電流過大的缺陷電池片，其主要特征是電池表面漏電流過大，因此造成電池片功率較低的情況，與正常電池片相對(duì)比，漏電流過大的電池片電致發(fā)光圖片表面平均亮度要比正常電池片暗很多。

圖2 正常片

圖3 漏電流過大

圖4為高晶界電池片，此硅片在加工過程中，硅的晶界要比正常硅片中的晶界要高很多，會(huì)阻礙電子的移動(dòng)[3]，因此造成電池片功率的損耗；圖5為黑邊電池片，是由于少子壽命的分布情況有差異造成的，反應(yīng)到電池片上會(huì)使電池片表面串聯(lián)電阻增大看，影響其發(fā)電功率[3]。

圖4 高晶界

圖5 黑邊

從上述4張圖片中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)原子級(jí)缺陷電池片進(jìn)行EL測(cè)試，電池片的缺陷區(qū)域并不能明顯的顯現(xiàn)出來，因此，電池片出廠時(shí)進(jìn)行的EL測(cè)試并不能將所有缺陷都檢測(cè)出來，但是在電致發(fā)光檢測(cè)中還是能將一部分的缺陷檢測(cè)出來的，本篇文章將此類缺陷定義為物理級(jí)缺陷。

2.2 物理級(jí)缺陷電池片

所謂物理級(jí)缺陷就是由于在電池片的層壓、運(yùn)輸、包裝過程中由于物理性的碰撞造成電池片表面的產(chǎn)生不可逆的破碎、劃痕等情況[4]。本篇文章將典型的物理級(jí)缺陷劃分為隱裂、碎片、斷柵、虛焊等缺陷形式。

圖6為隱裂電池片，在電池片的電致發(fā)光圖像中可以清晰的看到在第一第二兩條柵線之間有明顯的裂痕痕跡，雖然EL成像顯示此處有裂痕，但是并不影響該電池片的正常發(fā)電情況，經(jīng)過測(cè)試，電池片的發(fā)電功率并沒有明顯變化；圖7為碎片電池片，從圖像中可以看出電池片上方出現(xiàn)一處斷裂，對(duì)其功率進(jìn)行測(cè)試顯示功率出現(xiàn)損耗。

圖6 隱裂

圖7 碎片

以上兩種缺陷最容易出現(xiàn)在電池片斷額層壓工序中，操作不當(dāng)極易引起隱裂和碎片。圖8所示的電池片為斷柵電池片，在副柵線上有明顯劃痕，使柵線斷裂，柵線的斷裂會(huì)影響電子的匯流，使功率降低【5】；圖9所示的電池片為虛焊電池片，虛焊是在主柵線的焊接過程中，主柵線沒有緊密的貼合在電池片的表面，雖然將虛焊歸類為物理級(jí)曲線，但是此缺陷在EL圖像中顯示地并不明顯。

圖8 斷柵

圖9 虛焊

相比于原子級(jí)缺陷，物理級(jí)缺陷更能在EL圖像中被發(fā)現(xiàn)，但是僅僅依靠EL圖像來檢測(cè)太陽能電池片的缺陷是存在一定的誤差的。由于物理級(jí)缺陷所造成的的組件的損害是十分嚴(yán)重的，因此在EL檢測(cè)中，最常檢測(cè)的就是物理級(jí)缺陷，物理級(jí)缺陷中的隱裂、斷柵、虛焊不僅會(huì)造成電池片的功率損失，也會(huì)造成局部熱斑現(xiàn)象。準(zhǔn)確定位和判斷缺陷的位置以及缺陷形式在電致發(fā)光檢測(cè)中是十分重要的。

3 太陽能電池片局部電流計(jì)算

太陽能電池片的局部電流計(jì)算一直是太陽能電池領(lǐng)域中比較薄弱的一點(diǎn)，整個(gè)組件的額定電流和額定電壓可以在IEC61215的標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)得，但是局部的電流并不能直接通過實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量得出。由電池片的電致發(fā)光的原理我們可以看出，電池發(fā)光圖像中亮度高的部分在實(shí)際電池片使用過程中發(fā)電效率也相對(duì)較高，因此對(duì)電致發(fā)光圖像中的亮度進(jìn)行分析就能推出電池片的表面局部電流。

Photoshop是一款強(qiáng)大的處理圖像的軟件，由于其操作界面簡(jiǎn)單，內(nèi)容豐富，結(jié)論直觀所以選用Photoshop進(jìn)行對(duì)電致發(fā)光圖像的處理。

在EL圖像的基礎(chǔ)上分析電池片局部電流來評(píng)判電池片的質(zhì)量能有效檢驗(yàn)出電池片的好壞。本片文章提出一種以Photoshop為工具的EL圖像分析方法。

由于EL圖像顯示的是電池片電致發(fā)光的灰度圖像，因此利用Photoshop來分析EL圖像中局部灰度值來確地電池片的局部電流的大小。

首先判斷所處理圖像的大小，并建立相同大小的畫布，同時(shí)將顏色模式調(diào)整為灰度模式，利用軟件中的區(qū)域圈選工具來圈選要分析局部電流的位置。得出的區(qū)域局部灰度值可以潛在地反應(yīng)出該區(qū)域中電流的大小。因?yàn)殡娭掳l(fā)光圖片是外加電壓引起的，所以在正常區(qū)域中的灰度值可以反應(yīng)出電流的值。我們將正常區(qū)域的電流定義為I，局部電流定義為I0，正常區(qū)域的灰度值為H，局部灰度為H0，則局部電流的大小可以近似為：

在灰度的概念中，0表示純黑色，255表示純白色，如在圖10所示的圖片中圈選其中一部分進(jìn)行灰度分析，其中圈選的部分已經(jīng)被陰影標(biāo)注，通過Photoshop分析之后的結(jié)果如圖11所示為灰度分析數(shù)據(jù)。

圖10 分析局部灰度

圖11 灰度分析圖像

4 結(jié) 論

電池片的使用年限為25年，因此出廠時(shí)電池片的質(zhì)量十分重要，電致發(fā)光在太陽能電池片的出廠檢測(cè)中起著十分重要的作用，但是在檢測(cè)過程中有部分缺陷是檢測(cè)不出來的，對(duì)于原子的級(jí)的缺陷，大部分的原子級(jí)缺陷都不能在EL圖像中顯現(xiàn)出來，漏電流過大的電池片只是在亮度上比正常的電池片低；高晶界電池片在硅的晶面上有差異也不能反應(yīng)到電池發(fā)光的圖像中；黑邊電池片同樣沒有造成電池發(fā)光圖像特別明顯的差異。

對(duì)于物理級(jí)缺陷，大部分物理級(jí)缺陷都能被檢測(cè)出來，例如隱裂能夠看到明顯的裂痕；碎片有明顯的無功率區(qū)域；斷柵可以看到柵線斷裂；有少部分物理級(jí)缺陷如虛焊，也不能在EL圖像中顯示。

公式（1）所提出來的對(duì)電池片局部電流的近似計(jì)算方法能在已知EL圖像的情況下對(duì)電池片進(jìn)行局部電流的計(jì)算，通過對(duì)局部電流的分析能得出電池片各個(gè)部分電子的導(dǎo)通程度，與正常電池片相對(duì)比來確定電池片的缺陷位置和缺陷形式。

之后的研究將結(jié)合電池片缺陷處的發(fā)熱情況進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行熱斑實(shí)驗(yàn)的過程我們發(fā)現(xiàn)，有的電池片會(huì)在缺陷處集中發(fā)熱，有的電池片會(huì)在電池片的邊緣區(qū)域集中發(fā)熱，物理級(jí)缺陷發(fā)熱的規(guī)律與原子級(jí)缺陷發(fā)熱的規(guī)律有所不同，在今后的研究中，我們將深入探索缺陷與電池片發(fā)熱之間的關(guān)系。

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