光致發(fā)光技術(shù)在Si基太陽電池缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，提高效率和降低成本成為整個(gè)行業(yè)的目標(biāo)。在晶體Si太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多嚴(yán)重的問題，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led/' target='_blank'>光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時(shí)，由于沒有完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Si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(yàn)方法來檢驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

發(fā)光成像方法為太陽電池缺陷檢測(cè)提供了一種非常好的解決方案，這種檢測(cè)技術(shù)使用方便，類似透視的二維化面檢測(cè)。本文討論的是光致發(fā)光技術(shù)在檢測(cè)晶體Si太陽電池上的應(yīng)用。光致發(fā)光(photoluminescence，PL)檢測(cè)過程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發(fā)射及CCD成像四個(gè)階段。通常利用激光作為激發(fā)光源，提供一定能量的光子，Si片中處于基態(tài)的電子在吸收這些光子后而進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)回到基態(tài)，并發(fā)出以1150 nm的紅外光為波峰的熒光。利用冷卻的照相機(jī)鏡頭進(jìn)行感光，將圖像通過計(jì)算機(jī)顯示出來。發(fā)光的強(qiáng)度與本位置的非平衡少數(shù)載流子的密度成正比，而缺陷處會(huì)成為少數(shù)載流子的強(qiáng)復(fù)合中心，因此該區(qū)域的少數(shù)載流子密度變小導(dǎo)致熒光效應(yīng)減弱，在圖像上表現(xiàn)出來就成為暗色的點(diǎn)、線，或一定的區(qū)域，而在電池片內(nèi)復(fù)合較少的區(qū)域則表現(xiàn)為比較亮的區(qū)域。因此，通過觀察光致發(fā)光成像能夠判斷Si片或電池片是否存在缺陷。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取大量低效率電池進(jìn)行研究，現(xiàn)舉典型PL圖像進(jìn)行分析說明。電池所用Si片為125 mm×125 mm，厚度(200±10)μm，晶向100>，p型CZ太陽能級(jí)Si片。PL測(cè)試儀器的基本結(jié)構(gòu)如圖1，激光源波長(zhǎng)為808 nm，激光裝置中帶有均化光器件，使光束在測(cè)量的整個(gè)區(qū)域均勻發(fā)光。由于載流子的注入，Si片或電池片中會(huì)產(chǎn)生電流使其發(fā)出熒光，在波長(zhǎng)為1 150 nm時(shí)的紅外光最為顯著，所以選用了適當(dāng)?shù)臑V光片和攝像頭組合，使波長(zhǎng)在1 150 nm附近的熒光得以最大的通過。冷卻的攝像頭(-50℃)在室溫暗室中可以感光并生成512×512像素的圖像，曝光時(shí)間為1 s。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由微機(jī)程序控制。雖然PL可以直接測(cè)量Si片，但為了實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，本文均采用對(duì)電池的測(cè)量圖像作對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 原材料原因

單晶Si由于本身內(nèi)部長(zhǎng)程有序的晶格結(jié)構(gòu)，其電池效率明顯高于多晶Si電池，是Si基高效太陽電池的首選材料。然而，單晶Si內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會(huì)影響太陽電池的效率，比如：B-O復(fù)合體的存在會(huì)導(dǎo)致單晶電池的光致衰減；內(nèi)部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷(位錯(cuò)等)的存在會(huì)成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，影響其少子壽命。圖2為高效率電池光致發(fā)光圖像，發(fā)現(xiàn)除電池柵線外圖像灰度均勻。

圖3為Si片原材料存在嚴(yán)重缺陷的電池PL圖片，分別俗稱“黑邊”和“黑心”片，PL圖像中的黑心和黑邊是反映在光照條件下該部分發(fā)出的1 150 nm的紅外光強(qiáng)度較其他部分弱，說明該處有影響電子和空穴的輻射復(fù)合的因素存在。對(duì)于直拉單晶Si，拉棒系統(tǒng)中的熱量傳輸過程對(duì)晶體缺陷的形成與生長(zhǎng)起著決定性的作用。提高晶體的溫度梯度，能提高晶體的生長(zhǎng)速率，但過大的熱應(yīng)力極易產(chǎn)生位錯(cuò)。在圖3(b)中甚至可以很清楚地看到旋渦缺陷，旋渦缺陷是點(diǎn)缺陷的*，產(chǎn)生于晶體生長(zhǎng)時(shí)，微觀生長(zhǎng)速率受熱起伏而產(chǎn)生的周期性變化造成雜質(zhì)有效分凝系數(shù)起伏造成的。旋渦缺陷典型位錯(cuò)密度為106～107cm-3，遠(yuǎn)高于太陽能級(jí)單晶Si片所要求的缺陷密度(小于3 000 cm-3)。

原材料缺陷勢(shì)必導(dǎo)致Si襯底非平衡少數(shù)載流子濃度降低，造成擴(kuò)散結(jié)面不平整，p-n結(jié)反向電流變大，從而影響太陽電池效率。

2.2 擴(kuò)散工藝

擴(kuò)散是制備晶體Si太陽電池的關(guān)鍵工藝步驟，其直接決定著電池的光電轉(zhuǎn)換效率。擴(kuò)散的要求是獲得適合于太陽電池p-n結(jié)需要的結(jié)深和擴(kuò)散層的方塊電阻，當(dāng)p-n結(jié)較淺時(shí)，電池短波響應(yīng)好，但同時(shí)淺結(jié)會(huì)引起串聯(lián)電阻增加。結(jié)深過深，死層比較明顯，高擴(kuò)散濃度會(huì)引起重?fù)诫s效應(yīng)，使電池開路電壓和短路電流均下降。在利用絲網(wǎng)印刷制電極的電池制作中，考慮到各個(gè)因素，太陽電池的結(jié)深一般控制在0.3～0.5μm，方塊電阻在40～50Ω／□，選擇的熱擴(kuò)散方法為液態(tài)源擴(kuò)散法。Si片單片方塊電阻的均勻性是衡量高溫?cái)U(kuò)散效果的重要指標(biāo)。方塊電阻均勻性的提高使得電池的p-n結(jié)平整性變好，能夠提高光生載流子的收集概率，增加短路電流，進(jìn)而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖4(a)PL圖像右側(cè)出現(xiàn)陰影，還可以看到清晰手指印(方框處)，說明生產(chǎn)過程存在工藝污染現(xiàn)象。該電池片的光生誘導(dǎo)電流測(cè)試圖如圖4(b)，可以看到與PL圖像對(duì)應(yīng)處的誘導(dǎo)電流很低，也驗(yàn)證了電池對(duì)應(yīng)區(qū)域存在載流子的強(qiáng)復(fù)合中心。利用硝酸溶液將電池電極腐蝕掉，通過四探針測(cè)試儀測(cè)量方塊電阻，發(fā)現(xiàn)右側(cè)方塊電阻很大，擴(kuò)散嚴(yán)重不均勻。

2.3 裂紋分析

裂紋分顯裂和隱裂，前者可以通過肉眼直接觀察到，而隱裂片即使通過顯微鏡也難以察覺。如圖5所示，圖5(a)為顯裂片，裂紋區(qū)域?qū)?yīng)在PL圖片上是一塊灰度低的區(qū)域(方框處)，如光學(xué)顯微鏡所示。隱裂片的PL圖像和光學(xué)照片如圖5(b)所示，通過PL圖像可以在電池左右下角發(fā)現(xiàn)十字形裂紋，而在500倍的光學(xué)顯微鏡下卻沒發(fā)現(xiàn)任何異常。研究發(fā)現(xiàn)，十字形隱裂可能產(chǎn)生于由擴(kuò)散工藝誘生的二次缺陷。眾所周知，雖然Si材料在室溫下極脆，但是當(dāng)其到達(dá)熔點(diǎn)溫度的60％(約740℃)以上時(shí)具有韌性。當(dāng)裝有Si片的石英舟被推入高溫?cái)U(kuò)散爐時(shí)，具有很大面積厚度比的Si片受到的不均勻加熱使得Si片中產(chǎn)生很大的溫度梯度，相應(yīng)地產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過Si的屈服強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)散誘生缺陷就會(huì)產(chǎn)生。若組件中出現(xiàn)隱裂電池片，在經(jīng)過熱力循環(huán)、拉力等可靠性測(cè)試時(shí)很可能演變?yōu)槠扑椋瑢⒂绊懙秸麄€(gè)組件的發(fā)電量，甚至威脅到整個(gè)光伏電站的安全。

2.4 其他情況

PL還可以校驗(yàn)其他參數(shù)，例如擴(kuò)散長(zhǎng)度、位錯(cuò)密度、電極不良、氧含量及過渡金屬雜質(zhì)濃度等，這取決于CCD的靈敏度。PL的測(cè)量范圍能夠從剛切割的Si片到電池，可以依次在每步測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，*估任一單獨(dú)的工藝對(duì)最終電池功效的影響，在工藝衛(wèi)生方面更是起著監(jiān)督作用。本文關(guān)注的是單晶Si太陽電池檢測(cè)，對(duì)于多晶Si電池，晶界處會(huì)出現(xiàn)灰度降低情況，但并不影響整體分析效果。PL成像優(yōu)勢(shì)包括測(cè)量時(shí)間短；對(duì)樣品沒有絲毫破壞性；非接觸測(cè)量，可以支持Si片薄片化趨勢(shì)；測(cè)量能在室溫下進(jìn)行，測(cè)量對(duì)象與光源之間的距離靈活可調(diào)，因此對(duì)樣品尺寸沒有限制。理論上PL可以測(cè)量電池串和組件，但實(shí)際上要使光均勻照射在組件上還是具有挑戰(zhàn)性，因此PL多用于電池的質(zhì)量控制。

3 結(jié)語

利用光致發(fā)光檢測(cè)可以立即發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題，及時(shí)排除，從而提高電池平均效率。目前，PL仍處于定性的檢測(cè)階段，技術(shù)的開發(fā)方向是引入與發(fā)光強(qiáng)度相應(yīng)的量化指標(biāo)，量化指標(biāo)對(duì)于太陽電池生產(chǎn)的指導(dǎo)意義更大。PL取代接觸式測(cè)量方法是其一大優(yōu)勢(shì)，具有在生產(chǎn)中規(guī)模化應(yīng)用的巨大潛力。