太陽能電池用硅晶片隱形缺陷檢測技術(shù)研究

王立濤

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

太陽能光伏能源是潔凈、可再生的新能源，它具有其他常規(guī)能源所不具備的清潔性、穩(wěn)定性、豐富性、長壽命以及易于維護(hù)等優(yōu)點，被看成是21世紀(jì)最重要的新能源，光伏發(fā)電將在解決人類能源危機和環(huán)境污染問題上起到主要作用。太陽能光伏發(fā)電具有無污染、資源的普遍性和不枯竭等優(yōu)點，符合保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的要求。近年來，以硅晶片為主要材料的光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，并逐步形成了一個包括單晶硅多晶硅材料、硅晶片、太陽電池組件生產(chǎn)封裝檢測和光伏系統(tǒng)集成應(yīng)用為主體的光伏產(chǎn)業(yè)鏈[1-2]。

1 太陽電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

晶體硅太陽能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個電池上表面被一層減反射膜均勻鍍于其上。負(fù)電極位于減反膜下面，兩條平行的較粗的主電極在最上面，主電極的下面是與其垂直的無數(shù)互相平行的細(xì)小柵電極，柵電極都與主電極相連，形成負(fù)電極，將上表面的電極制作成柵狀是為了最大面積的收集電荷且讓更多的輻射光通過。當(dāng)發(fā)射光照射在電池上表層時，光子透過減反射膜進(jìn)入硅材料中，如果光子的能量大于硅禁帶寬度則可以在 N 區(qū)、PN 結(jié)區(qū)和 P 區(qū)中激發(fā)出光生電子空穴對，各區(qū)中的光生載流子在復(fù)合前如果能穿過耗盡區(qū)，就能對電池輸出功率產(chǎn)生作用。經(jīng)過以上過程會在 N 區(qū)聚集光生電子，同時在 P 區(qū)聚集光生空穴，在 PN 結(jié)的兩側(cè)形成了正負(fù)電荷的聚集，形成內(nèi)部電場進(jìn)而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。當(dāng)電池兩極接上負(fù)載后，電流就從 P 區(qū)經(jīng)負(fù)載流至 N 區(qū)，只要太陽光照不斷，負(fù)載上就一直有電流通過，電池給負(fù)載供電從而輸出功率[3]。

2 硅晶片隱形缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測軟件的設(shè)計

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需求，軟件系統(tǒng)應(yīng)用Visual C++軟件開發(fā)平臺中的單文檔應(yīng)用程序框架，應(yīng)用程序框架中的視圖類實現(xiàn)EL圖像的顯示與存儲，應(yīng)用加入新的對話框類來擴展軟件的功能。對于EL圖像采集系統(tǒng)來說，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)性要求較低，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及圖像的采集等操作均可以在對話框類中進(jìn)行，可以實現(xiàn)良好的人機操作界面。軟件系統(tǒng)主要分為三大模塊：儀器初始化參數(shù)設(shè)置、EL圖像的采集及EL圖像的處理顯示與存儲。軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的流程框圖如圖2所示。

圖1 晶體硅電池外形和結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件系統(tǒng)運行流程圖

2.2 檢測系統(tǒng)的運行

從圖2可以看出，系統(tǒng)在啟動過程中首先進(jìn)行相機運行參數(shù)的初始化設(shè)置，然后根據(jù)設(shè)置的相機參數(shù)打開相機進(jìn)入圖像采集狀態(tài)。當(dāng)相機根據(jù)自動加載的參數(shù)不能獲取滿意的EL圖像時，需對相機成像質(zhì)量進(jìn)行校正及參數(shù)調(diào)整。相機成像質(zhì)理校正的通用方法是相機的白平衡校正。其作用就是設(shè)置相機的色彩原點，通俗講就是在相機中記錄相機拍攝白色圖像的狀態(tài)的參數(shù)形式。由于系統(tǒng)選取的相機是16位黑白圖像，所以相機的白平衡功能設(shè)置相對簡單一些。一般地，在相機前方放置一動白板，在周圍光線較充分的情況下啟動相機白平衡校正功能，相機會自動校正白平衡灰度參數(shù)。在相機完成白平衡校正后，若成像質(zhì)理仍不滿意，可通過在人工交互界面調(diào)整相機及圖像處理參數(shù)，以獲取理想的EL圖像。

為了便于相機調(diào)整，軟件系統(tǒng)開發(fā)可見與近紅外兩種模式以方便相機調(diào)整[4]?？梢姽饽Ｊ骄褪亲屜鄼C在可見光翻轉(zhuǎn)成像，完成成像系統(tǒng)鏡頭的調(diào)整對焦。后切換到近紅外成像模式(在鏡頭前加上LP830濾光片)，進(jìn)行一次對焦調(diào)整。實驗表明，在可見光范圍內(nèi)的調(diào)整對焦結(jié)果，在近紅外成像時，成像效果不一定是最佳，還需進(jìn)行微調(diào)。為了提高軟件的運行效率及軟件系統(tǒng)的適應(yīng)性，提高軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的能力，軟件中還需引入多線程技術(shù)，可以實現(xiàn)圖像采集與顯示處理用不同的線程來完成，大幅度提高軟件的數(shù)據(jù)處理速度。

圖像預(yù)處理主要實現(xiàn)兩大功能：16圖像轉(zhuǎn)換成8位圖像及成比例地改變圖像的大小，使軟件系統(tǒng)可以將EL圖像顯示在大小不同規(guī)格地屏幕上。16圖像轉(zhuǎn)換成8位圖像算法應(yīng)用圖像灰度分段線性變化，圖像比例縮放算法借助于openCV開放式圖像處理庫函數(shù)，圖像比例縮放后的插值效果佳，可以獲得不同大小較為理想的圖像。圖像的特征識別主要集中在幾種較為常見的硅晶片隱形缺陷，如隱裂、材質(zhì)污染等。為了便于人工觀測識別硅晶片中的隱形缺陷，軟件系統(tǒng)開發(fā)了EL圖像局部縮放顯示與存儲功能，以獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

EL圖像采集軟件完成對電池片光致發(fā)光特性的瞬時記錄，由于受污染的區(qū)域發(fā)光強度低，具體表現(xiàn)為EL圖像較暗的區(qū)域。存在晶界缺陷的區(qū)域，由于帶有缺陷的PN結(jié)正向偏壓下?lián)舸?，會發(fā)出強光。電池片材質(zhì)均勻的區(qū)域發(fā)光強度介于兩者之間[5-6]。測試軟件主要實現(xiàn)以下功能：完成對制冷型 CCD的操作，實現(xiàn)對相機運行參數(shù)設(shè)置后，完成對EL圖像的采集、顯示與存儲。測試軟件界面如圖3所示。軟件界面上彈出的對話框的功能是完成在不同應(yīng)用情況下，相機參數(shù)的設(shè)置，確保系統(tǒng)針對所有類型的電池片均能獲得清晰的EL圖像。

3 實驗與分析

3.1 檢測數(shù)據(jù)驗證實驗研究

在EL檢測過程中，是否對電池片造成損傷，是評價系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置是否合理的依據(jù)。電池片損傷，將會使電池片光電轉(zhuǎn)換效率降低，從而降低產(chǎn)品性能。檢測電池片光電轉(zhuǎn)換效率是通過測試電池片的伏安特性間接的獲得[7-8]。電池片伏安特性測試電路如圖4所示。

圖3 EL圖像采集軟件

圖4 電池片伏安特性測試原理圖

應(yīng)用圖4所示電池片伏安特性測試電路，用單體太陽電池測試儀，對存在隱裂缺陷的太陽電池片1、材料污染電池片2和斷柵電池片3進(jìn)行了電特性測試，圖5為材料污染電池片2的電性能曲線圖。

圖5 材料污染電池片2的電性能曲線圖

通過觀察不同類型電池片的效率變化與電池片中所存在缺陷之間的關(guān)系，以進(jìn)一步確認(rèn)電池片中缺陷的存在，同時可以觀察缺陷存在對電池片電性能的影響。將其測試結(jié)果與無明顯缺陷的硅晶片作比較，以驗證EL成像檢測結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性，表1為試驗片的電性能測試結(jié)果。

從上述測試結(jié)果可以看出，隱性裂痕、材料污染、斷柵等缺陷對太陽電池有不同程度的影響，與無明顯缺陷的對比電池片相比較，缺陷電池的Isc、Rp、FF、均有所下降，而Rs都相應(yīng)增加，對開路電壓的影響較小。

表1 試驗太陽能電池片電性能測試對照表

由于隱性裂痕的存在使得太陽電池片1的串聯(lián)電阻增大，太陽電池的正向伏安特性會受到串聯(lián)電阻變化的影響，導(dǎo)致短路電流下降明顯；電池片1的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率將會下降明顯，是因為其串聯(lián)電阻的增大和并聯(lián)電阻的減小所造成的。電池片2主要存在材料污染等缺陷，這是導(dǎo)致其效率大大降低的主要原因。太陽能電池3的電性能數(shù)據(jù)均無法正常測量，驗證了EL圖像得到該電池斷柵的準(zhǔn)確性。

上述實驗數(shù)據(jù)說明存在隱形缺陷的EL圖像與試驗片電性能數(shù)據(jù)之間具有很好的同一性。間接驗證了所開發(fā)的硅晶片隱形缺陷檢測系統(tǒng)對于硅晶片隱形缺陷檢測準(zhǔn)確性高。

3.2 硅晶片串并聯(lián)測試實驗

對硅晶片隱型缺陷進(jìn)行檢測除可以對硅晶片進(jìn)行檢測，還可以對以硅晶片為單元進(jìn)行串并聯(lián)的電池組件進(jìn)行質(zhì)量檢測，圖6為串12并6電池組件實物照片。檢測裝置可以對兩個或兩個以上硅晶片單片串并組合聯(lián)接的電池片進(jìn)行EL檢測，或?qū)φ麄€太陽能電池組件進(jìn)行EL檢測，圖7為應(yīng)用檢測系統(tǒng)開發(fā)的成像系統(tǒng)拍攝的(串12并6)組件EL圖像。

圖6 太陽能電池組件

實驗的主要目的是掌握各種組合聯(lián)接形式下，進(jìn)行EL檢測的正向偏置電壓值及電流值，表2為試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過實驗可以看出，硅晶片串并聯(lián)時的電壓值及電流值沒有嚴(yán)格的比例關(guān)系，也就是不能將單個硅晶片看成阻值相等的固定電阻來估計它們所加正向偏置電壓與電流之間的關(guān)系。同時與單個電池片相類似，材料污染對正向偏置電壓及電流之間的關(guān)系影響較大。由于EL檢測過程中的電流是自適應(yīng)平衡結(jié)果，應(yīng)用上述研究結(jié)果，將加載的正向偏置電壓所產(chǎn)生的電流處于5.0～5.5 A，實現(xiàn)電池組的無損傷檢測。

圖7 (串12并6)組件EL圖像

表2 不同連接硅晶片正向偏置電壓電流對照表

對于串12并6(1 600 mm×800 mm)的電池組件，在確保一定分辨率的前提下，用兩個相機進(jìn)行成像，整個檢測系統(tǒng)的硬件成本約為3萬元。因此，所研發(fā)的EL檢測成像系統(tǒng)對于硅晶片分類或電池組件隱型缺陷檢測來說，是一種高性價比的檢測技術(shù)。

4 結(jié) 論

通過實驗分析了單個硅晶片進(jìn)行基于EL圖像的隱型缺陷檢測系統(tǒng)的正向偏置電壓參數(shù)、成像系統(tǒng)參數(shù)，獲取了清晰的EL圖像，并將含有缺陷的硅晶片的I-V曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證了所開發(fā)檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時進(jìn)行了不同串并聯(lián)接方式的硅晶片EL檢測實驗，說明所開發(fā)的EL成像系統(tǒng)也可以用于對硅晶片太陽能組件隱型缺陷進(jìn)行檢測。實驗結(jié)果同時說明了所開發(fā)的硅晶片隱形缺陷檢測方法是一種經(jīng)濟可行的電池組件隱形缺陷檢測技術(shù)，可以用于大型太陽能組件的隱形缺陷檢測。