论述了一种利用硅太阳能电池在一定偏压下的电致发光(Electrolum inescence,EL)成像来检测硅太阳能电池隐性缺陷的方法。硅太阳能电池的EL波长范围为850~1200 nm。正向偏压下的EL光强反映了少数载流子的浓度及其扩散长度,而反向偏压下的EL区和发光强度对应于电池的缺陷区域和缺陷密度。用硅CCD相机对硅太阳能电池的EL快速成像,然后根据EL成像的明暗强度可检测出电池的隐性缺陷。由于内在缺陷处EL强度比外在缺陷处受温度的影响更敏感,所以可利用电池缺陷处EL强度随温度变化的差异来辨别缺陷的类型

庞爱锁

李艳华

武智平

潘淼

郑兰花

陈朝

Xiamen University Institutional Repository

第 32卷 第 4期2011年 4月发 光 学 报CH INESE JOURNAL OF LUM INESCENCEVol 32 No 4Apr. , 2011文章编号: 1000 7032( 2011) 04 0378 05电致发光成像技术在硅太阳能电池隐性缺陷检测中的应用李艳华1, 潘 淼1, 庞爱锁1, 武智平1, 郑兰花2, 陈 朝1, 3*( 1. 厦门大学 物理与机电工程学院, 福建 厦门 361005;2. 厦门大学 材料学院, 福建 厦门 361005; 3. 厦门大学 能源研究院, 福建 厦门 361005 )摘要: 论述了一种利用硅太阳能电池在一定偏压下的电致发光 ( E lectro lum inescence, EL )成像来检测硅太阳能电池隐性缺陷的方法。硅太阳能电池的 EL波长范围为 850~ 1 200 nm。正向偏压下的 EL光强反映了少数载流子的浓度及其扩散长度,而反向偏压下的 EL区和发光强度对应于电池的缺陷区域和缺陷密度。用硅 CCD相机对硅太阳能电池的 EL快速成像,然后根据 EL成像的明暗强度可检测出电池的隐性缺陷。由于内在缺陷处 EL强度比外在缺陷处受温度的影响更敏感,所以可利用电池缺陷处 EL强度随温度变化的差异来辨别缺陷的类型。关 键 词: 硅太阳能电池; EL; 隐性缺陷; 硅 CCD相机中图分类号: TN383 1 PACS: 78. 60. F ;i 84. 60. Jt PACC: 7860F; 8630J 文献标识码: ADOI: 10. 3788 / fgxb20113204. 0378收稿日期: 2010 11 04; 修订日期: 2010 12 28基金项目: 福建省科技厅 2007年重大科技专项 ( 2007H Z005 2 )资助项目作者简介: 李艳华 ( 1984- ) , 男, 江西吉安人, 主要从事太阳能电池工艺与缺陷检测的研究。E m ai:l liyanhua9201@ yahoo. com. cn* : 通讯联系人; E m ai:l cchen@ xmu. edu. cn, Te:l ( 0592) 21824581 引 言硅太阳能电池作为绿色、环保的新能源受到全世界广泛重视。全球光伏电池产业发展非常迅速,国内的太阳能电池产业规模也不断扩大。太阳电池中的缺陷对电池的光电转换效率有很大影响,外在的缺陷容易察觉, 但内在的隐性缺陷仅靠人的肉眼很难辨认。如何能够及时有效地在工业生产过程中检测出硅太阳能电池的缺陷, 尽快找出造成该缺陷的工艺原因, 是太阳能电池产业发展的一个关键问题。常规的硅太阳能电池缺陷检测技术主要有光感生电流 ( L ight beam induced curren,t LBIC )﹑电感 生 电 流 ( E lectron beam induced curren,tEB IC )[ 1 2]和红外热成像 ( Dark lock in thermography, DLIT)[ 3 4]等方法。LB IC和 EBIC检测法不能直接获得样品的缺陷图像。DLIT是在对电池施加反向偏压情况下, 对太阳能电池表面发出的红外线进行摄像的一种缺陷检测方法。由于电池表面热量的增加需要一个时间过程, 所以 DLIT检测效率较低; 而且 DLIT检测需使用 InGaA s红外摄像机, 存在成本较高的缺点。与 DLIT检测法相比, EL成像只需不到 1 s的成像时间且使用CCD相机即可拍摄,因此在检测效率和仪器成本方面都优于 DLIT检测法。目前,国内商品化的太阳能电池 EL成像检测仪往往仅用于太阳能电池正向偏压下的 EL成像电池缺陷检测, 而本文不仅介绍了太阳能电池正向偏压下的 EL成像缺陷检测, 还介绍了反向偏压下的电池缺陷检测和如何利用温度对电池缺陷处电致发光强度的影响来辨别缺陷类型。利用温度的影响来辨别缺陷类型需对太阳能电池加热,所以这项检测一般用于太阳能电池的线下检测, 然后根据检测结果对在线生产工艺做出优化。硅太阳能电池与半导体发光二极管 ( LED)一样,在一定偏压下会因载流子的辐射复合而产生发光现象,其 EL的波长范围为近红外波段 850~1 200 nm, 发光强度随偏压的增大而增强。正向偏压下 EL的光强反映了少数载流子的数目和少第 4期 李艳华, 等: 电致发光成像技术在硅太阳能电池隐性缺陷检测中的应用 379子的扩散长度。若某区域 EL强度较低, 则表明该处存在质量缺陷[ 5]。施加 0. 7 ~ 3. 0 V正向偏压时, 在硅太阳能电池的内在缺陷处,由于载流子的复合最终大多数以热量的形式发射,因此缺陷处发光强度较弱;而在外在缺陷处,由于偏压小甚至未能形成偏压, 该处的发光强度同样较弱。对硅太阳能电池施加反向偏压并接近反向击穿电压时,由于预击穿产生碰撞离化, 电子与空穴复合将产生发光现象。因为发光较容易发生在 pn结存在杂质缺陷处, 所以太阳电池反偏下预击穿所产生的 EL现象和强度也能反映其隐性缺陷的分布。我们使用可探测波长范围为 400 ~ 1 050 nm的硅 CCD相机对电池 EL快速成像,然后根据 EL成像的明暗强度来检测分析硅太阳能电池的缺陷。硅太阳能电池的缺陷一般分为内在缺陷 (位错、断层、pn结存在杂质导致预击穿缺陷等 )和外在缺陷 (电极脱落、断栅、电池微裂等 )。由于实验过程中使用黑白硅 CCD相机, 所以缺陷的性质很难被区分。硅太阳能电池内在缺陷的 EL强度受温度的影响比外在缺陷受温度的影响大, 利用这个性质即可有效辨别出电池的缺陷类型[ 6]。2 实 验图 1是自制的晶体硅太阳电池 EL成像检测装置示意图。被检测的太阳能电池板或片 ( 1)放置在耐高温导热平台 ( 2)上,晶体管稳压电源 ( 3)与太阳能电池相连接,控温加热器 ( 4)紧贴在耐高温导热平台 ( 2)下面, 850 nm 滤波片 ( 5 )安装在制冷式 CCD相机 ( 6)镜头前,制冷式 CCD相机安放在可三维调节的支架 ( 7)上,图像采集卡 ( 8)将制冷式 CCD相机与电脑 ( 9)连接起来。图 1 晶体硅太阳电池隐性缺陷的电致发光检测仪结构示意图F ig. 1 Schem e of EL m easurements on the detection o f theh idden defects in so lar cells本文利用该仪器对 5片存在缺陷的多晶硅太阳能电池进行了 EL成像缺陷分析。3 结果与讨论3. 1 利用 EL成像检测电极缺陷图 2( a)是 1#多晶硅太阳能电池在常温 + 2V偏压下的 EL成像, 可以观察到电池右边区域多处存在 EL强度低的情况。将该电池片放在 10倍放大显微镜下观察,发现该电池存在多处电极的断栅和脱落现象。图 2( b)是图 2( a)方框处在10倍放大显微镜下拍摄的。从图 2( b)可清晰地观察到该处存在电极断开的缺陷, 电极断开使得该处右边偏压减小, 导致右边区域 EL强度降低,图 2( a)很好地反映了这一情况。在硅太阳能电池的生产过程中, 经常出现由于丝网印刷电极的工艺缺陷导致电极脱落和电极断栅等问题,这就使得光生载流子无法正常收集到电极母线上,大幅降低了电池的工作效率。利用 EL成像技术可快速检测出这一缺陷, 以便及时优化丝网印刷电极工艺避免不必要的损失。图 2 1#多晶硅太阳能电池的 EL成像, ( a)常温 + 2 V偏压下的 EL成像; ( b)图 2( a)右上角方框处在 10倍放大显微镜下的照片。F ig. 2 EL im ages of 1# m ulticrysta lline silicon solar ce lls,( a ) EL im age under fo rw ard b ias of 2 V at roomtemperature; ( b) Photow ith 10 tim esm agn ifica tion o fthe upper r ight corne r squa re reg ion in F ig. 2( a) .3. 2 利用 EL成像检测微裂缺陷图 3是 2#多晶硅太阳能电池在常温 + 2 V偏380 发 光 学 报 第 32卷压下的 EL成像, 图中箭头指向处可看到一条细长倾斜的暗线, 这是由于电池在该处存在微裂而导致的。图像下方较亮处是晶体管稳压电源的电极和电池母线接触点附近区域, 由于接触点附近偏压比其它区域偏压稍大,所以 EL较强。图 3 2#多晶硅太阳能电池在常温 + 2 V偏压下的 EL成像F ig. 3 EL im age of 2# mu lticrysta lline silicon so lar ce lls under fo rw ard bias o f 2 V at room temperatu re3. 3 利用 EL检测 pn结的预击穿缺陷理想硅太阳能电池的并联电阻应该是无穷大。对于 p型衬底杂质浓度在 1016cm- 3左右的硅太阳能电池,理论上其 pn结的反向击穿电压约为 50V[ 7]。然而在实际生产中硅衬底杂质浓度一般都大于 1016cm- 3,再加上在太阳能电池制造时会因工艺不恰当而将新杂质或缺陷引入 pn结,导致电池并联电阻减小,所以电池的 pn结预击穿( P re breakdown)电压一般远小于 50 V。用冶金法制备的多晶硅太阳能电池的 pn结预击穿电压只有 7~ 15V。图 4( a)是一片制作完铝背电极但没有切边的硅太阳能电池 ( 3#)在常温 - 10V偏压下的 EL成像图。图中的 4条亮边对应于电池的周边, 除了周边存在明显的发光,其他位置几乎不存在 EL现象。我们猜测这是由于在制作铝背电极时铝杂质扩散进入电池周边 pn结使得周边并联电阻较小,从而在 - 10 V的反向偏压下预击穿产生碰撞离化而产生的 EL现象。图 4( a)中的多个 EL亮点也应该是对应电池 pn结存在杂质的缺陷处。为了证实上述的猜想,我们在实验过程中与 DLIT红外热成像进行了对照。DLIT检测仪能对半导体表面的温度分布进行成像。如果半导体某处 pn结存在杂质缺陷,当给其施加一定反向偏压时会产生预击穿,从而导图 4 3#多晶硅太阳能电池的 EL成像, ( a)在常温 - 10 V偏压下的 EL成像; ( b) 15 下图 4( a)方框区域在- 10 V偏压下的 DLIT成像; ( c)图 4( b)线段 L01上的温度分布图。F ig. 4 EL im ages of 3# m ulticrysta lline silicon solar ce lls,( a) EL im age under rev erse b ias of - 10 V at roomtemperature; ( b) DL IT im age o f the square reg ion inF ig. 4( a) under reverse bias o f - 10 V at 15 ;( c) tem pera ture d istr ibu tion of the L01 line reg ion inF ig. 4( b).致流过该处的电流较大, 使得该处温度明显高于其他 pn结完好的区域,因此根据半导体在一定偏压下表面温度分布的 DLIT成像能有效检测出半导体 pn结预击穿缺陷[ 3 4]。图 4中所使用的 DILT成像系统是杭州美盛公司生产的型号为 RESEARCH N2的全数字动态红外热像分析仪。图 4( b)是电池图 4( a)方框区域处在室温 15 、- 10 V偏压下的 DLIT 成像图,图中不同的颜色代表电池表面各处不同的温度,深色的横线对应电池的细栅处, 画圈的亮点对第 4期 李艳华, 等: 电致发光成像技术在硅太阳能电池隐性缺陷检测中的应用 381应于图 4( a)中画圈的亮点, 表明此处存在预击穿。从图 4( c)的温度分布图中可以看到, 在电池边缘处温度接近 27 , 明显高于其他区域, 此处温度的升高也正是由于 pn结在高反偏情况下存在预击穿所致。图 4( b)和图 4( a)的对比证实了我们对图 4( a)中 EL较明显处存在预击穿缺陷的猜测。上述实验证明, 利用 EL成像检测硅太阳能电池 pn结的预击穿缺陷是一种切实可行的方法;但并不是所有的 pn结缺陷都能通过 EL成像检出,只有当 pn结杂质浓度较大, 在高反偏下引起预击穿产生碰撞离化发光时, 缺陷才能通过 EL成像检出。3. 4 利用温度对不同类型缺陷 EL强度的影响辨别内在和外在缺陷硅太阳能电池内在缺陷的 EL强度受温度的影响比外在缺陷受温度的影响大, 利用这一特性可以辨别缺陷的类型。如图 5所示,图 5( a)和 ( c)分别是 4#和 5#多晶硅太阳能电池在常温 25 、+ 2 V偏压下的EL成像,图 5( b)和 ( d)分别是将 4#和 5#电池加热至 150 在 + 2 V偏压下的 EL成像。从图 5( a)和 ( c)可观察到多处 EL强度弱的区域, 图中箭头处的暗线和图 ( c)中椭圆内 EL强度弱的区域是存在缺陷的位置。与图 5 ( b)、( d)所示的加热图对比可知, 这些缺陷处的 EL强度几乎不受温度的影响,因此可判断这种缺陷类型是外在缺陷。其实从本文 3. 1节和 3. 2节中也可得知, 图 5( a)箭头标记处是微裂缺陷,图 5( c)椭圆标记的 EL低强度区域是电极缺陷, 都属于外在缺陷类型。图 5( a)和 ( c)方框标记的 EL强度弱的区域,在图 5( b)和 ( d)中的 EL强度明显增强,表明该处缺陷的 EL强度受温度影响大, 从而可以判断该处缺陷属于内在缺陷类型, 有可能是晶体硅的位错﹑层错和 pn结存在杂质等内在缺陷。图 5 4#和 5#多晶硅太阳能电池的 EL成像, ( a) 和 ( b)分别是 4#电池在常温 25 和 150 , + 2 V偏压下的 EL成像;( c)和 ( d)分别是 5#电池在常温 25 和 150 , + 2 V偏压下的 EL成像。F ig. 5 EL im ages of 4# and 5#m ulticry sta lline silicon solar cells, ( a) and ( b) the EL im ages o f 4# under forw ard bias of 2 V atroom temperature 25 and 150 , respectiv ely; ( c) and ( d) the EL im ages o f 5# under forward b ias o f 2 V at roomtem perature 25 and 150 , respective ly.4 结 论硅太阳能电池在一定偏压下存在 EL现象。利用硅 CCD相机对电池的 EL成像, 当施加正向偏压时,能快速有效检测出电极﹑微裂等缺陷; 施加一定反向偏压时, 能快速检测出pn结的预击穿缺陷。利用温度对硅太阳能电池不同缺陷 EL强度的影响, 可有效辨别缺陷类型。利用 EL成像检测分析硅太阳能电池隐性缺陷具有成本低且快速有效的优点, 可以广泛应用于工业生产过程中硅太阳能电池隐性缺陷的检测。382 发 光 学 报 第 32卷参 考 文 献:[ 1 ] K am inski A, Breitenste in O, Boyeaux J P, et al. 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S chool of E nergy Research, X iam en Un iv ersity, X iam en 361005, Ch ina )Abstract: A method of using e lectro lum inescence ( EL) imag ing to detect the h idden defects in silicon so larcells under the condition o f certain b ias is presented in th is paper. The EL w avelength of silicon so lar cellsranges from 850 nm to 1 200 nm. In the case o f forw ard b ias, the EL intensity is related to the concentrationand d iffusion length o fm inority carriers, but under the reverse bias, EL reg ime and illum ination in tensity arecorresponding to defect areas and defect density o f ba ttery, respective ly. The EL o f so lar cells can be qu icklycaptured by silicon CCD cam era, and the hidden defects o f silicon so lar cell can be found according to the intensity va lue of EL imag ing. S ince the EL intensity o f the intrinsic defic ient is more sensitive to temperaturethan that o f the extrinsic defec,t the types of defect can be checked out by the d ifference o f EL intensity,w hich responds to the change of temperature.K ey words: s ilicon solar ce lls; electro lum inescence; h idden defec t; s ilicon CCD cam eraCLC num ber: TN383. 1 PACS: 78. 60. F ;i 84. 60. Jt PACC: 7860F; 8630J Docum ent code: ADOI: 10. 3788/ fgxb20113204. 0378Received date: 2010 11 04

电致发光成像技术在硅太阳能电池隐性缺陷检测中的应用

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