EL测试在光伏太阳能电池检测中的应用

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EL 测试在光伏太阳能电池检测中的应用郭占苗（西安航空职业技术学院电子工程系，陕西西安 710089）摘要为了满足客户对太阳能电池组件性能的更高要求，通过对电池片的 EL 测试，从来料方面进行把关，通过对层压敷设件和组件的 EL 测试，能够合理的控制由于工艺参数设置不当和人为因素引起的组件不良缺陷，从而能够将问题消灭在组件出厂之前，保证组件质量。同时，通过分析 EL 图像，也有助于完善和改进电池片以及组件的生产工艺，对太阳能电池的生产有重要指导意义。关键词太阳能电池；电致发光；缺陷分析；测试中图分类号 O474 文献标识码 A 文章编号 1674－ 6236（ 2012） 13-0131-04EL test in defects detection in photovoltaic solar cells/modulesGUO Zhan-miao（ Electronic Engineering Department of Xi an Aeronautical Polytechnic Institute ， Xi ’ an 710089， China）Abstract In order to meet the higher requirementsof customerson the capability of solar modules， the Electroluminescence（ EL） test in the solar cells could effected to detect raw materials defects. By using EL test in laminated laying and solarmodules， defects， which causedby the unreasonableparametersettings in production processand from human factors， couldbe controlled. So the quality of solar modules could be guaranteed by eliminating the defects before leaving the factory.Meanwhile， the manufacturing technique of solar cells and modules could be refined and improved by analysising EL images.It could alsoprovide aconstructive guide on the production of solar cells.Key words solar cells； electroluminescence； defect analysis； test收稿日期 2012-04-15 稿件编号 201204111作者简介郭占苗（ 1981），女，内蒙古集宁人，硕士，助教。研究方向光伏太阳能电池与电子实训。太阳能是人类取之不尽用之不竭的清洁可再生能源，在太阳能的有效利用当中，太阳能光电转换的利用，也就是光伏太阳能，是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域。为了推广太阳能电池这种优良的低碳能源，就必须提高太阳能电池的质量以满足客户要求；而为了提高太阳能电池的质量，在组件生产的关键环节进行 EL 测试是必要的。1 EL 测试原理太阳能电池电致发光（ Electroluminescence）测试，又称场致发光测试，简称 EL 测试。其原理是，通过对晶体硅太阳能电池外加正向偏置电压，模拟实际使用中太阳光照射在电池组件上产生的等效直流电流，给单片电池片通入 140 mA 的正向电流，电源便向电池注入大量非平衡载流子，作用于扩散结两边，电能把处于基态的原子进行激发给，使其处于激发态，由于处于激发态的原子不稳定，进行自发辐射，这样，电致发光依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子，通过滤波片的作用及底片的曝光程度来了解在自发辐射中本征跃迁的情况，利用 CCD 相机捕捉到这些光子，利用少子寿命、密度与光强间的关系，即太阳能电池的电致发光亮度正比于少子扩散长度，正比于电流密度，再通过计算机进行处理后显示出来 [1]，如图 1 所示。这样，从底片的曝光程度就可以判断硅片中是否存在缺陷。由于本征硅的带隙约为 1.12 eV，可以计算出晶体硅太阳能电池的带间直接辐射复合的 EL 光谱的峰值应该在1 150 nm 附近，所以 EL 测试的光属于近红外光（ NIR）。这些光线只有在不受外光（即太阳光、可见光、红外线、紫外线等）干扰下才能被红外光学相机捕捉到，这就要求整个组件发光只有在暗箱状态下才能被相机捕捉才能到，因而，整个 EL 测试过程是在一个不会被外光干扰的暗箱中进行的 [2]，只有这样才可以准确地判别电池片或组件是否存在缺陷，否则将会对产品的性能产生重大影响。可见，太阳电池电致发光测试成像技术可以通过发光亮电子设计工程Electronic Design Engineering第 20 卷Vol.20第 13 期No.132012 年 7 月Jul. 2012图 1 EL 测试原理图Fig. 1 Schematic diagram of EL test－ 131－电子设计工程 2012 年第 13 期度的强弱来衡量太阳能电池的好坏，被形象的比作是太阳电池生产线的 “ 眼睛 ”。目前，已被大多数太阳能电池和组件厂家使用，来检测产品的潜在缺陷，提高产品质量。2 EL 测试在太阳能电池检测中的应用由于太阳能电池在加工生产过程中，采用两三百微米的单晶硅片作为载体，极易产生隐裂、黑心片、暗片、断栅、破片、低效片、污垢片和过刻等肉眼难以直接看到的缺陷，只有通过对单片电池片、层压敷设件和组件使用 EL 测试，利用EL 图像的亮度正比于电池片中少子扩散长度与电流密度的原理，即有缺陷的地方，少子扩散长度较低，显示出来的图像亮度较暗，可以有效地发现硅材料、扩散、刻蚀、印刷、烧结等工艺过程存在的不足，方便分析解决问题，能够有助于提高产品质量和效率，有助于完善工艺和稳定产量。2.1 EL 测试在电池片缺陷分析中的应用EL 测试可以测试出电池片的隐裂、“ 黑心 ” 片、暗片、黑斑、断栅、破片、低效片、污垢片、过刻、网带印、漏电和正负极接反等缺陷，下面就几种典型的缺陷做一分析。2.1.1 隐裂缺陷 EL 测试与可能故障分析由于硅材料的脆度较大，因此在电池生产过程中，很容易产生裂片，常见的裂片有两种，一种是显裂，可以直接观察到；另一种是隐裂，如图 2 所示，隐裂只有通过 EL 测试才可以观察到。隐裂缺陷虽然肉眼看不出来，但在组件的制作过程中易产生碎片，还可能会导致热斑效应等问题，影响产能。尤其是单晶电池片的隐裂，如果一旦单晶电池片的隐裂沿着晶界方向延伸，轻则产生热斑效应，其结果使太阳能电池组件产品局部电流与电压之积增大，产生局部升温，重则会导致整个电池片有一块失效区，影响组件在电站的使用寿命。此外，隐裂电池片在做成组件后，电池片的隐裂会加速电池片功率衰减，降低输出功率，在机械载荷条件下可能会继续扩大隐裂范围，严重的有可能导致开路性的破损 [3]。一般认为，长度超过 1 mm 的隐裂将不能承受 2 400 Pa 的压力。通过 EL 测试可以发现电池片隐裂现象，杜绝此种电池片流入下一道串焊工序，以减小不良组件的发生率。隐裂产生的原因可能是某道工序有磕碰，应逐工序检查，排除可能产生隐裂的故障。2.1.2 过刻缺陷 EL 测试与可能故障分析电池片过刻缺陷的 EL 如图 3 所示，过刻缺陷会减小有效光电池面积而直接影响短路电流 Isc，进而影响到电性能测试的 I-V 曲线，导致 Pmax 减小。如果组件内部掺有过刻缺陷的电池片，会增加电池材料的高频损伤、降低电池参数，严重的，会造成一定程度的漏电。造成过刻的原因可能是在硅片边缘等离子刻蚀过程中，射频功率、刻蚀时间参数、磁场强度或气体成分组成等参数设置不太合理 [4]，可以反馈到电池片的生产过程，通过控制电池片生产工艺中刻蚀的关键工艺参量，即射频功率和刻蚀时间来避免过刻电池片的产生。2.1.3 “ 黑心 ” 片缺陷 EL 测试与可能故障分析“ 黑心 ” 片的 EL 测试如图 4 所示，可以看到清晰的旋涡缺陷，这是点缺陷的聚集，发现 “ 黑心 ” 片必须返工处理，因为，“ 黑心 ” 片会造成热击穿，会影响功率测试的曲线台阶，最主要的是，“ 黑心 ” 片会影响组件最大输出功率。那么，“ 黑心 ”片是什么原因造成的呢 “ 黑心 ” 片产生于硅棒生长期，主要是由于原材料商在拉硅棒时没有拉均匀所致，在直拉单晶硅拉棒系统中，由于晶体的温度梯度太高，产生过大的热应力使原硅片内产生大量的位错引起 [5]。此种材料缺陷势必导致硅衬底的非平衡少数载流子浓度降低，测试中，该部分没有发出 1 150 nm 的近红外光，降低该区域的 EL 发光强度。在组件使用中，由于这种电池片中心部位的电阻率偏高，所以在 “ 黑心 ” 片的黑区内大大降低了电池片的效率 EFF。2.1.4 断栅缺陷 EL 测试与可能故障分析电池片断栅也是 EL 测试中常会遇到的一种缺陷，如图图 3 电池片过刻缺陷 ELFig. 3 EL test of the cell over-etching图 2 电池片隐裂的 ELFig. 2 EL test of the cell cracks图 4 “ 黑心 ” 片 EL 测试Fig. 4 EL test of the “ Black Heart ” cell－ 132－5 所示，断栅会使电流效率降低，会影响光谱响应特性，降低转换效率。造成断栅的原因通常是丝网印刷参数没调好，丝网印刷质量不佳，或者网版堵塞等问题引起，也可能是硅片切割不均匀，在 30 μ m 尺度可能出现断层现象引起。应反馈到电池片生产部门，将浆料加稀释剂重新调配，或者调整、更换网版。除以上几种典型的电池片缺陷外，通过 EL 图像的分析还可以有效地发现电池片穿孔，裂片，暗片，低效，漏电，工艺污染和履带印等不良缺陷，从而可以判断出硅片、扩散、钝化、网印及烧结各个环节可能存在的问题，对改进电池片制作工艺、提高效率和稳定生产都有积极作用。2.2 EL 在层压敷设件测试中的应用电致发光技术可以提供晶体硅太阳能电池的电学特性和材料特性等相关信息，不但可以测试单片电池片，也可以测试将电池片串、玻璃和切割好的 EVA 、玻璃纤维、背板按照一定层次敷设好的准备层压件。2.2.1 层压敷设件断栅缺陷与分析如果在单片 EL 测试中没有把由于丝网印刷时由于浆料或者网版问题导致印刷不良造成的断栅电池片分流，就会出现层压前在电池片表面沿着栅线方向长短不一的黑色线状痕迹的断栅情况，如图 6 所示。导致断栅的主要原因除了丝网印刷工艺中的缺陷外，还可能由外力破坏引起。一般轻微的断栅对组件影响不是很大，可以按照低档产品销售，但是如果断栅严重则会影响到单片电池片的电流从而影响到整个组件的电性能。2.2.2 层压敷设局部断路缺陷与分析电池片沿着主栅线一边全部为黑色为局部断路缺陷，如图 7 所示，这种产品在光照条件下，由于电池片局部断路致使部分电子无法被主栅线收集，会影响太阳能电池的钝化作用、对红外线的响应特性及填充因子 FF，从而影响到太阳能电池的光电转换效率。产生该缺陷的原因，通常是由于电池片背面印刷偏移或者铝浆烧结不良引起，导致铝背场和背电极印无法接触从而形成局部断路。应该在层压前加强 EL 检验，及时将这种电池片挑出，防止流入后道工序。2.3 EL 在组件测试中的应用为了确保组件的性能更加稳定可靠，加强组件生产的质量管控，在出厂前要对组件最后把关进行 EL 测试。2.3.1 EL 测试对组件短路缺陷的分析在对组件进行 EL 测试时，有如图 8 所示黑片电池片的组件是短路缺陷，造成短路缺陷的原因一般有以下几种情况 1）在电池片串焊过程中将正负极接反； 2）由异物，比如焊带或者其它导电杂物引起的电池片串与串间串联短路或者并联短路，这种被短路电池片是无功率的； 3）由于混入了低效电池片造成的黑片。所以，测试出这种短路黑片时，要将组件翻转观察是否有异物存在，再判断其短路的具体原因，组件中的这种黑片电池片会造成 I-V 测试曲线不规则，有的呈现台阶状，使组件的实际功率与标称功率不符，降低组件功率 Pmax和填充因子 FF，所以要返工修复。2.3.2 EL 测试对组件裂片缺陷的分析在敷设件层压装框后进行 EL 测试，如果裂纹缺陷严重将会导致电池片碎裂的现象，通过 EL 测试可以明显看出已经碎裂的电池片，如图 9 所示。由于原材料本身、焊接过程或者后道工序的各种外力因素均可能造成电池片裂片，因此很难寻求统一规律或得出确定性答案，现对可能造成晶体硅电池组件裂片的原因做探索性分析总结 1）来料方面，来料电池片本身存在类似于晶体疏松 “ 内伤 ”，此种隐裂电池片，有少量在经单焊、串焊工序虽仍能保持原状不会破碎，但是经过层压后就可能会变为裂片； 2）焊接方面的不良操作所致，焊接锡珠或者焊接互联条超过电极也可能在层压后导致裂片； 3）层压方面，主要是由于层压机参数设定不合理，保压阶段压力过大，或者层叠工序的 5S 管理较差时，异物吸附到组件内经过层压机层压后导致电池片裂片； 4）运输方面，用叉图 6 层压敷设断栅 EL 测试Fig. 6 EL test of the off-grid about laminated laying图 5 断栅 EL 测试Fig. 5 EL test of the off-grid cell图 8 组件内部电池片短路 EL 测试Fig. 8 EL test of the local short-circuit about PV图 7 层压敷设局部断路 EL 测试Fig. 7 EL test of the local open-circuit about laminated laying郭占苗 EL 测试在光伏太阳能电池检测中的应用－ 133－电子设计工程 2012 年第 13 期[5] 张泽伟，曲鸿章，谢兴华 . 变频器在恒压供水系统中的应用 [J]. 自动化技术与应用， 2002， 21（ 4） 27-29.ZHANG Ze-wei， QU Hong-zhang， XIE Xing-hua. Inverter inthe water supply system[J]. Automation Technology andApplication ， 2002， 21（ 4） 27-29.[6] Eker， Lyas. Operation and control of a water supply system[J].ISA Transactions， 2003， 2（ 3） 461-473.[7] 宁耀斌，明正峰，钟彦儒 . 变频调速恒压供水系统的原理与实现 [J]. 西安理工大学学报， 2001， 17（ 3） 305-309.NING Yao-bin ， MING Zheng-feng， ZHONG Yan-ru. Theprinciple of the frequency control water supply system[J].Xi ’ an University of Technology， 2001， 17（ 3） 305-309.[8] 周漠仁 . 流体力学泵与风机 [M]. 北京中国建筑工业出版社， 1994.[9] 张燕宾，变频调速应用实践 [M]. 北京机械工业出版社，2003.车从托盘上下车装卸组件时，由于叉车较短易造成最下方组件被压弯而产生裂片，或者在组件运输过程中颠簸等也可能造成裂片 [6]。除此之外，还有一些其他人为因素，例如分选作业人员或者焊接人员拿取电池片、电烙铁的手势不合理或者用力太大可能造成裂片；准备层压敷设员工在铺绝缘条和背板时将汇流带翘起导致应力集中在主栅线上，经层压后易产生裂片；尤其是摔组件，更是导致裂片的罪魁祸首。为了减少人为的造成组件的不良缺陷，应从严要求操作规范，条件允许情况下，尽可能使用自动化生产流程，应用机械手进行作业。可见，从组件整个生产关键环节的 EL 测试不良缺陷分析来看，总体可以分为两大类即来料原因和后期人为原因。对于电池片的性能和质量问题，可以反馈到来料电池片生产部门进行工艺调整或完善，同时将不良电池片退回供应商以减少损失；对于层压敷设的 EL 测试，及时发现及时反馈问题，可以避免不良品流入下道工序；对于组件产品出厂前的EL 测试，可以设法减小后道工序由于人为因素造成不良组件的发生率。在具体作业过程中，坚持 “ 一轻二柔三无声 ” 原则，坚决杜绝野蛮操作，尽量不让组件受到震动、挤压或冲击，只有这样才能减少不良组件带来的损失。3 结论太阳能电池组件在户外使用的标称寿命是 25 年，因此，对其质量的保证至关重要。只有在出厂前通过对电池片、敷设件和组件进行严格的 EL 测试，做到对太阳能电池产品进行层层把关和监控，有效定位缺陷类型，及时发现问题，及时排除，杜绝隐形缺陷组件流入市场，才能减小组件在使用中出现问题的概率，减少客诉，从而提高平均效率，提高生产效益，赢得长远利益。同时，通过 EL 测试对缺陷问题的分析与反馈，不断完善量化指标，改进生产工艺、提高组件质量，进行指导生产。参考文献 [1] 肖娇，徐林 . 太阳电池缺陷 EL 检测及电性能分析 [J]. 上海计量测试， 2011（ 3） 15-18.XIAO Jiao， XU Lin. Electroluminescence images and I-Vcharacteristic analysis of defective crystalline silicon solarcells[J]. ShanghaiMeasurementand Testing， 2011（ 3） 15-18.[2] 李娜，张志根，武耀忠，等 . 隐裂电池片在标准测试后的变化及分析 [J]. 阳光能源， 2011（ 3） 69-71.LI Na， ZHANG Zhi-gen， WU Yao-zhong， et al. Cell crackchangeand analysisafter standard Test[J].Solar RenewableEnergy Sources， 2011（ 3） 69-71.[3] 张宏军，刘堂友 . 结合 PCA和 SVM的太阳能电池缺陷识别 [J].电视技术， 2011（ 35） 66-76.ZHANG Hong-jun， LIU Tang-you. Combination with PCAand SVM defect recognition of solar cells[J]. VideoEngineering， 2011（ 35） 66-76.[4] 季高明，李海华 . 低功率刻蚀工艺均匀度研究 [J]. 电子科技， 2009（ 8） 65-68.JI Gao-ming， LI Hai-hua. Study of lower power etchuniformity [J]. Electronic Science and Technology， 2009（ 8） 65-68.[5] 周继承，李斐，陈勇民，等 . 铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响 [J]. 半导体光电， 2009（ 6） 838-841.ZHOU Ji-cheng， LI Fei， CHEN Yong-min ， et al. Influence ofAl -BSF on electrical properties of monocrystalline siliconsolarcells[J].SemiconductorOptoelectronics， 2009（ 6） 838-841.[6] 张翰进，傅志中，念蓓，等 . 双峰法与 otsu法结合在太阳能电池缺陷检测中的应用 [J]. 计算机系统应用， 2012（ 1） 115-131.ZHANG Han-Jin， FU Zhi-zhong， NIAN Bei， et al. Combinationof bimodal method and otsu method in defects detection insolar cells [J]. Computer Systems Applications， 2012 （ 1） 115-131.图 9 组件内部电池片裂片 EL 测试Fig. 9 EL test of the lobes about PV（上接第 130 页）－ 134－