基于太陽能電池片表面缺陷與產(chǎn)線優(yōu)化研究

陸小春，張從飛

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226004）

1 太陽能電池片的基本結構和制作工藝

1.1 太陽能電池片的基本結構

單晶硅太陽能電池通常是表面呈現(xiàn)絨面結構并帶有“柵線”型金屬電極，背面用特殊漿料制備成金屬電極。 在實際生產(chǎn)中，為了捕捉更多的入射光和延長光在電池片內(nèi)部傳播的路徑長度，電池片的表面會被制成凹凸不平的四棱錐，形成“絨面”[1]。 為了防止電池片內(nèi)部電子和空穴結合時產(chǎn)生巨大的能量損失，在硅片表面通過印刷燒結將含有化學元素的漿料制備成電柵與硅片形成歐姆連接。 為防止電流外泄，電池片背面通常采用含銀漿料印刷并燒結成銀電極，如果想要得到電流可以通過連接兩邊電極來獲得。

1.2 太陽能電池片的制作工藝

為了詳細分析太陽能電池的缺陷，必須了解太陽能電池的制造流程。 制造單晶硅太陽能電池的設備工藝復雜、繁多，任何工藝都可能導致太陽能電池的缺陷[2]。 工藝流程如圖1 所示。

圖1 太陽能電池的工藝流程

圖2 各種缺陷圖像

本文主要針對電池片外觀質(zhì)量進行抽檢，所以主要采取更為普遍且重要的外觀缺陷進行實驗檢測，由于在實際生產(chǎn)過程對電池片表面質(zhì)量的抽檢中發(fā)現(xiàn)虛印、漏漿和斷柵出現(xiàn)的次數(shù)過于頻繁。如圖2 所示，分別是斷柵、漏漿和虛印缺陷的外觀圖形，限于篇幅這里重點討論虛印及漏漿問題。

2 產(chǎn)線流程中設備及檢測原理

絲網(wǎng)印刷的原理是指漿料可以通過網(wǎng)版的圖形部分而不能通過非圖形部分。印刷時，在網(wǎng)版的一端注入漿料，然后通過移動刮刀將漿料從網(wǎng)版的一端刮到另一端，在刮刀移動過程中，漿料通過網(wǎng)版的圖形部分被擠壓到承印物上。 在印刷過程中刮刀始終與網(wǎng)版和承印物相互接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，但是承印物還是脫離于絲網(wǎng)中的其它部分，這樣可以使印刷尺寸的精確度得到保證并且可以避免蹭臟承印物。 當刮刀刮過整塊網(wǎng)版后慢慢抬起，網(wǎng)版與承印物互相分開。 漿料和工作臺回到初始位置，這一系列過程被稱為印刷過程[3]。

太陽能電池絲網(wǎng)印刷流程后的設備主要有燒結爐、自動光學檢測儀（Automatic Optical Inspector，AOI）。

2.1 燒結爐

在經(jīng)過烘干排焦過程后，印刷在電池片表面漿料中的大多數(shù)有機化學元素被蒸發(fā)，從而使?jié){料中的金屬電極材料變成電柵與硅片緊密相結合。 所謂的燒結過程，就是為了在電極和硅片本身之間建立歐姆關系。 燒結爐中的內(nèi)部過程主要有三個，分別為烘干排焦、燒結和冷卻。

烘干排焦是指將硅片表面的漿料烘干，并且排除其中的有害物質(zhì)（焦油）；燒結是指絲網(wǎng)印刷結束后的硅片通過1 000℃區(qū)域后，將其表面的漿料形成電柵并與電池片燒結在一起形成歐姆連接； 冷卻的目的是將電池片通過冷卻區(qū)使其表面的溫度降低，確保電池片在下一階段的測試分類可以正常進行。

2.2 AOI 的工作原理

AOI 檢測一般分為光學部分和圖像處理部分。光學部分采用的方法是電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）檢測法，在電致發(fā)光成像系統(tǒng)中，太陽能電池中的光子受到正電壓的激發(fā)，使其躍遷到低能級并釋放出光能。 然后使用冷卻的CCD 相機來捕捉被激發(fā)的太陽能電池形成的紅外線。 在所拍攝的圖像中，轉換效率高的硅片區(qū)域明亮發(fā)光，而缺陷區(qū)域（如漏印、虛印、斷柵等）在識別圖像中呈現(xiàn)暗區(qū)。 該種方法的優(yōu)點是能夠在不與電池片接觸的情況下檢測人眼所觀測不到的缺陷，提高檢測效率的同時避免了直接與產(chǎn)品接觸造成的二次損傷。 圖像處理部分是對光學部分采集的圖像進行接收、分析、處理和評價[4]，圖像處理部分需要強大的軟件支持，因為各種缺陷均需要計算機計算和判斷。

3 產(chǎn)線優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比分析

3.1 單晶太陽能電池斷柵缺陷

3.1.1 實驗信息

實驗期間采用的樣本是來自14 個班次產(chǎn)線生產(chǎn)的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經(jīng)過1BPERC 測試機中的自動光學檢測儀，從而產(chǎn)生電性能、拉力可靠性和斷柵缺陷數(shù)據(jù)，儀器檢測標準為允許斷線距離≤0.5mm，數(shù)量不計，斷柵距離 0.5mm～1.0mm，數(shù)量≤7 個，不在同一條細柵上，且相鄰柵線不同時出現(xiàn)（A 級），允許存在斷線，其斷開距離≤2mm，斷開數(shù)量≤20 處（B 級）。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

兩組對比實驗一共14d 的電性能趨勢圖如圖3 所示。

圖3 電性能趨勢圖

PERC 太陽能電池在進過AOI 時效率基本持平，在兩組實驗中，效率符合生產(chǎn)需求。

兩組實驗所測得的拉力可靠性數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

表1 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化前

表2 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化后

14 個班次隨機抽取1B 測試機上生產(chǎn)的太陽能電池片50 片～100 片，質(zhì)量監(jiān)控拉力正常，符合生產(chǎn)標準。

實驗期間PERC 測試機14d 的外觀斷柵缺陷趨勢圖如圖4 所示。

圖4 外觀斷柵缺陷趨勢圖

兩組實驗對比可看出，在優(yōu)化產(chǎn)線過后，電池片外觀斷柵缺陷有明顯的降低。

3.1.3 實驗結論

1） 通過上述實驗對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發(fā)現(xiàn)實習單位生產(chǎn)的電池片符合市場標準，對電池片表面質(zhì)量無任何影響。

2） 在經(jīng)過 AOI 的時候分別產(chǎn)生 53、32、12、72、33、43、17、16、45、14、54、62、55、62、54 片碎片。

3） 從圖4 發(fā)現(xiàn)每天斷柵的比列在0.235%左右，雖然不高，但是還需分析產(chǎn)生原因，以減少殘次品的比例。

4） 在實驗過程中對產(chǎn)線檢查時發(fā)現(xiàn)了幾處對電池片表面質(zhì)量存在影響的地方。 ①缺陷原因： 參數(shù)不合理，在生產(chǎn)電池片的時候印刷參數(shù)不是一成不變的，機器會根據(jù)產(chǎn)線上反饋的數(shù)據(jù)進行自我調(diào)節(jié)，有時參數(shù)的改變符合生產(chǎn)需求，有時不符合要求，所以會產(chǎn)生印刷出來的電池片存在斷柵現(xiàn)象。 優(yōu)化方法： 第一時間對參數(shù)進行調(diào)整，增加刀片對網(wǎng)版的壓力，減少版間距，從而避免斷柵。 ②缺陷原因：網(wǎng)孔堵塞，漿料堵住了網(wǎng)版中的孔洞，導致漿料無法透過網(wǎng)孔印刷在電池片上。 優(yōu)化方法：在發(fā)現(xiàn)的第一時間對網(wǎng)版進行擦拭，以防止斷柵的電池片過多，導致當班次生產(chǎn)的電池片全部返工。 ③缺陷原因：印刷頭在運行過程中晃動。 通過對絲網(wǎng)設備的檢查中發(fā)現(xiàn)印刷頭明顯可以看出晃動，具有事故隱患，并且對電池片表面的質(zhì)量具有嚴重的影響，需要隔離本班次的電池片進行處理。 優(yōu)化方法：首先停止印刷機的運行，減少帶有斷柵電池片的產(chǎn)生，降低虧損，然后上報當班工程師和設備工作人員，讓他們進行協(xié)商，找出最快的解決辦法。

通過兩組實驗數(shù)據(jù)對比可知，在發(fā)現(xiàn)問題并對產(chǎn)線優(yōu)化后斷柵不良率最低下降了0.287%。

3.2 單晶太陽能電池漏漿缺陷

3.2.1 實驗信息

實驗期間采用的樣本是來自14 個班次產(chǎn)線生產(chǎn)的單晶PERC 125*125 太陽能電池片，這些電池片都經(jīng)過1BPERC 測試機中的自動光學檢測儀，從而產(chǎn)生電性能、拉力可靠性和漏漿缺陷數(shù)據(jù)，儀器檢測標準為正面漏漿面積≤0.25mm2每片電池≤3 個，側面漏漿不允許 （A 級）；0.25mm2≤單個面積≤2.0mm2，個數(shù)≤5 個（B 級）。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

圖5 表達的是在對產(chǎn)線一些問題優(yōu)化前后電性能的趨勢圖。

圖5 電性能趨勢圖

在兩組實驗期間，電性能效率符合生產(chǎn)需求。

實驗期間對每天電池片拉力可靠性進行測試，表3、表4 分別表示的是對產(chǎn)線優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)。

表3 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化前

表4 拉力可靠性數(shù)據(jù)—優(yōu)化后

實驗期間，每天對電池片的拉力可靠性測試都符合生產(chǎn)標準。

在實驗期間PERC 測試機14d 外觀漏漿缺陷趨勢圖如圖6 所示。

圖6 外觀漏漿缺陷趨勢圖

在14d 的數(shù)據(jù)記錄中，通過數(shù)據(jù)對比可看出，在優(yōu)化產(chǎn)線過后，電池片外觀漏漿缺陷有明顯的降低。

3.2.3 實驗結論

1） 通過上述實驗對太陽能電池片電性能與拉力可靠性測試中可以發(fā)現(xiàn)實習單位生產(chǎn)的電池片符合市場標準。

2） 在經(jīng)過 AOI 的時候每天分別產(chǎn)生 27、51、71、10、34、27、67、83、28、16、26、67、38、68 片碎片。 其中 10.18 夜發(fā)現(xiàn)了大批邊緣漏漿。

3） 從圖6 發(fā)現(xiàn)在沒有對產(chǎn)線優(yōu)化前每天漏漿的比列在0.298%左右，雖然不高，但是在對產(chǎn)線優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)每天漏漿的比例是0.149%，殘次品的比例降低了很多，并且因為不允許存在邊緣漏漿，所以在檢測漏漿時要求都是特別嚴格。

4） 通過AOI 數(shù)據(jù)在對產(chǎn)線進行巡查時發(fā)現(xiàn)設備中存在的幾處問題。①缺陷原因：網(wǎng)版使用壽命已到，因為網(wǎng)版長時間處于工作狀態(tài)導致網(wǎng)版的張力變小，從而網(wǎng)孔變大導致印刷時漿料過量漏出。優(yōu)化方法：通知生產(chǎn)更換網(wǎng)版，如果漏漿電池片數(shù)量過多，在這種情況下當班次生產(chǎn)的太陽能電池片全部隔離，等待返工。②缺陷原因：如果在印刷時漿料中混有顆粒（碎片），刮刀在將漿料擠壓到網(wǎng)孔過程中的同時也會將顆粒(碎片)向網(wǎng)版上擠壓，在一系列復雜的作用力下網(wǎng)版被刮破，導致漿料過量漏出。優(yōu)化方法：通知生產(chǎn)更換漿料，如果更換完漿料還存在漏漿缺陷，則需對印刷機中的皮帶進行檢查。 ③缺陷原因：印刷時壓力過大。 在壓力模式下，印刷過程中刮刀對網(wǎng)版有向下的壓力以及與印刷方向同向的摩擦力，向下壓力越大，摩擦力越大。 當摩擦力大過網(wǎng)版彈性形變產(chǎn)生的回復力時，網(wǎng)版很有可能出現(xiàn)破裂，導致漏漿。 優(yōu)化方法：降低機器壓力參數(shù)。 降低刮刀與網(wǎng)版間的壓力、摩擦力，避免網(wǎng)版破裂。

通過兩組實驗數(shù)據(jù)對比可知在發(fā)現(xiàn)問題并對產(chǎn)線優(yōu)化后漏漿的不良率明顯降低，最多降低了0.378%。

4 結束語

近年來，由于國家對太陽能發(fā)展的優(yōu)惠政策，企業(yè)開始重視太陽能各個方面的發(fā)展。 作為太陽能發(fā)電的主要載體，太陽能電池片的表面質(zhì)量決定了其光電轉換效率和生產(chǎn)成本，所以在實際生產(chǎn)過程中企業(yè)對電池片表面質(zhì)量把控非常嚴格[5]。 本文主要是針對在太陽能表面缺陷出現(xiàn)的問題，如：虛印和漏漿，通過查閱資料，對比實驗中電性能、 拉力可靠性和AOI 數(shù)據(jù)，分析這幾種缺陷產(chǎn)生的原因，然后通過優(yōu)化生產(chǎn)流程中設備存在的問題，來減少不良片產(chǎn)生的比例。 經(jīng)過上述一系列對產(chǎn)線的優(yōu)化，通過實驗前后數(shù)據(jù)對比可以了解到漏漿最多降低0.378%，斷柵最多降低0.287%。