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摘要:针对晶体硅太阳电池缺陷的检测问题,利用多种测试设备(EL、PL、Corescan等),在电池制作的主要工序段(扩散、镀膜、印刷、烧结)对硅片和电池片进行检测,归纳和总结了电池的各种典型缺陷的成因,利用这些检测手段和分析结果,能够及时有效地反馈生产过程中产生的缺陷类型,有利于生产工艺的改进和质量的控制。
(来源:微信公众号“摩尔光伏”)
1、引言
晶硅太阳能电池在制造过程中通常采用制绒、扩散、刻蚀、PECVD、印刷、烧结几道工序,由于一些机械应力、热应力及人为等不稳定因素的存在,会不可避免的造成硅片的一些隐性缺陷如污染、裂纹、扩散不均匀等,这类缺陷的存在大大降低了电池片的光电转换效率,导致公司增加经济损失。利用多种测试设备如EL、PL、corescan等检测硅片、半成品电池及成品电池存在的各种隐形缺陷,改善工艺参数,降低产品的不合格率,为公司提高成品率,大大的降低成本。
2、检测设备工作原理
2.1光致发光(PL)
PL是检测原材料的有效方法,如Fig.2-1所示,以大于半导体硅片禁带宽度的光作为激发手段,激发硅中的载流子,当撤去光源后,处于激发态的电子属于亚稳态,在短时间内会回到基态,这一过程中会释放波长为1100nm的光子,光子被灵敏的CCD相机捕获,得到硅片的辐射复合图像[1]。
Fig.2-1光致发光
2.2电致发光(EL)
EL与PL工作原理相似,但不同之处在于激发非平衡载流子的方式不同,即在电池的正向偏压下,注入非平衡载流子(Fig.2-2)。
Fig.2-2电致发光
2.3微波光电导衰减法(u-PCD)
u-PCD主要包括904nm的激光注入产生电子-空穴对(Fig.2-3a),导致样品的电导率增加,当撤去外界光注入时(Fig.2-3b),电导率随时间指数衰减,这一趋势间接反应少数载流子的衰减趋势,从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势得到载流子的寿命。
Fig.2-3a激光激发
Fig.2-3b微波探测
2.4方块电阻扫描(SHR)
SHR测试探头在中心有一个激光源(Fig.2-4),紧跟着有两个同心圆环形电容电极,激光的频率可以调整。激光注入产生电子空穴,内建电场将电子空穴分离,将产生表面势,表面势反映了SHR信号并且向横向扩散,内外探头获取表面势。硅片的方阻通过在两个电容电极测量电势的比率计算。
Fig.2-4SHR
2.5串联电阻扫描(Corescan)
Corescan的扫描头包含一个光源和金属探针(Fig.2-5),扫描过程中,将电池片短路连接,扫描头以固定的扫描间距、速度移动,光源照射在电池片上产生光生电流,同时金属探针在电池片表面划动,测量光照位置的电压值,电压值即表征了电池片正面的串联电阻的大小。
Fig.2-5Corescan
3、结果及讨论
3.1原材料缺陷
原材料的优劣影响电池片的光电转换效率,有效的检测原材料的优劣,降低原材料的不合格率,能够直接减少经济损失。Fig.3-1所示为“黑芯片”的PL图片,在光照条件下,黑色区域存在大量的缺陷,它们起到复合中心作用,使得载流子在此处复合时发出较弱的光,而温场不均匀造成的位错或杂质氧沉淀导致黑芯片的产生,其电池片的电性能一般显示为Irev、Rs略高、Rsh较正常,Voc稍低,只是Isc明显偏小。
Fig.3-1黑芯片
Fig.3-2a为“四角黑”电池片的EL图片,腐蚀掉正背面电极、氮化硅、PN结后测试其少子寿命,如Fig.3-2c所示,从图中可看出,电池片黑角区域的寿命相对正常区域严重偏低,说明此处存在大量的缺陷,可能原因是硅棒在拉制过程中,外层有污染或有晶体缺陷产生,而导致硅材料的性能下降。一般电池片的电性能显示为Voc稍低,Isc明显偏小,其余性能参数较正常。
Fig.3-2四角黑
从附表1的IV数据可以看出,整体暗电池片的Voc比正常片低了12mv,通过Fig.3-3的EL图像(同一亮度)可以明显看出两片电池片的差异。腐蚀两片电池片的氮化硅薄膜、正背面电极、电场及PN结后测得整体暗的电池片平均寿命为8.76us,而正常片的平均寿命为11.45us(Fig.3-3c、d),原材料中含有过多的杂质导致复合增加是造成Voc偏低的主要原因。
Fig.3-3整体暗
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