缺陷太阳电池EL图像及伏安特性分析-solarbe文库

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现代科学仪器Modern Scientific Instruments第5 期 20 10年 10月N o. 5 Oct. 20 10 105缺陷太阳电池 EL 图像及伏安特性分析肖娇徐林曹建明（上海交通大学物理系太阳能研究所上海 200240）摘要本文基于电致发光（ Electroluminescence,EL ）的理论，利用红外检测的方法，通过 CCD近红外相机实验检测出了晶体硅太阳电池中存在的隐性缺陷，如隐裂、断栅、电阻不均匀、花片等，并将可见光下电池图像与 EL 图像进行对比。对存在缺陷的太阳电池进行了伏安特性测试，得出隐裂缺陷对太阳电池伏安特性、填充因子、效率等性能的影响，也证明电致发光技术检测太阳电池缺陷的准确性。关键词太阳电池；电致发光；电池缺陷；伏安特性中图分类号 O474ＥｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅＩｍａｇｅｓａｎｄＩ－ＶＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｅｆｅｃｔｉｖｅＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎＳｏｌａｒＣｅｌｌｓXiao Jiao, Xu Lin, Cao JianmingSolar Energy Institute, Physics Dept, Shanghai JiaoTong University, Shanghai, 200240, ChinaAbstract Based on Electroluminescence EL theory, the micro-cracks of crystalline silicon solar cells were detected by the near-infrared CCD camera, such as the cracks, off-grid, non-uniform resistance, ower slice. Then we compared the EL images with the images under visible light. I-V characteristic of the defective solar cells was tested, and we got that the defects would affect the I-V curve, ll factor, ef ciency of the solar cell, meanwhile EL technology is proved to be an accurate measurement to detect solar cells. Key words Solar cell; Electroluminescence;Solar cell defects; I-V characteristic收稿日期 2010-06-23作者简介肖娇，女，上海交通大学硕士研究生，主要从事太阳能光伏检测设备的研发目前工业化晶体硅太阳电池在制造过程中通常采用丝网印刷、高温烧结、互联、层压封装等生产工艺，其中丝网印刷的机械应力、焊接的热应力、高温烧结的热应力、层压封装的机械应力等不可避免会引入一些缺陷，包括隐裂、碎片、断栅、虚焊等，这类缺陷的存在极大地影响了太阳电池的光电转化效率和电池的寿命。据估计，每条组件生产线每年由于缺陷带来的直接经济损失约为 60 万美元，故有效的检测手段是非常必要的。本文运用基于电致发光（ Electroluminescence ,EL）的检测方法，有效地检测出了太阳电池中可能存在的缺陷，是一种有效的检测电池、组件的方法。对检测出来的各类缺陷电池进行伏安特性曲线、填充因子、效率、串联电阻等各项性能测试，结果表明存在缺陷的电池漏电流较大，填充因子、效率减少较严重，性能测试结果和 EL检测方法得出的结论一致 .1 电致发光实验理论基础在太阳电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在正向偏压下， p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理 [1]。发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。在太阳能电池两端加入正向偏压 , 其发出的光子可以被灵敏的 CCD 相机获得 , 即得到太阳电池的辐射复合分布图像。但是电致发光强度非常低 , 而且波长在近红外区域，要求相机必须在 900-1100nm 具有很高的灵敏度和非常小的噪声。图 1 为电致发光的光谱图 [2]。2 CCD红外相机试验方法实验样品为国产多晶硅太阳电池，采用由加拿大生产的 INFILITY 近红外相机， ELECTROOPTIC公司生产的红外相机镜头，其波谱响应范围为800nm ～ 1100nm。在试验过程中，利用直流稳压电源给多晶硅电池加正向偏压，控制正向偏压大小为Modern Scientific Instruments106 N o. 5 Oct. 20 1040mA/cm 2 左右，调节相机像素为 1392 1392pixs ，拍摄冷却温度为 -25℃，曝光时间控制在适当范围以达到更好的图像效果，同时为减少噪声应尽可能控制增益大小 , 实验在暗箱环境中进行。实验结果与讨论图 2 所示为多晶硅太阳电池片 1 在可见光下及 EL 图像，选取相同位置图像作为对比。如图 2B所示在电致发光情况下检测出了清晰的太阳电池裂纹，而这种隐裂可见光下是无法观测到的。电池裂纹缺陷可能来源于前期的硅片弯曲和扭曲，或者是在组件层压和固化工艺过程引起，另外，焊锡、串联等工艺也会引入裂纹。研究表明 [3]，对于晶体硅太阳电池，长度超过 1mm 的裂纹将不能承受 2400Pa（约100mph 风速）的压力。在户外使用时，裂纹将会演变为碎片，导致电性能的损失甚至开路，严重影响电池的使用寿命和可靠性。A B图 2 太阳电池片 1 可见光下及 EL 图像A 太阳电池 1 可见光下图像； B 太阳电池 1 EL 图像图 3 所示为多晶硅太阳电池片 2 在可见光下及EL 图像，选取电池片相同位置图像作参考对比。由该电池的 EL 图像可以看出，主栅线已断，整片电池已经无法正常导通。丝网印刷质量不佳往往易造成断栅缺陷。在丝网印刷时，若某处栅线断裂，外加电场则无法顺利地到达此处的 p-n 结，所激发的光子密度较低，因此发光图片显示为暗色。而实际工作中时，这种缺陷的存在导致光生载流子的收集效率降低，从而影响光谱响应，降低组件的转换效率。A B图 3 太阳电池片 2 可见光下及 EL 图像A 太阳电池 2 可见光下图像； B 太阳电池 2 EL 图像图 4 为多晶硅太阳电池 3 EL 图像，可以看到该电池表面发光强度不均匀，这是由于电阻不均匀引起的 , 较暗区域一般串联电阻较大 [4]。这种缺陷能反应少子寿命的分布情况，缺陷部位少子跃迁机率降低，故电致发光图片上显现为暗色。图 5 为多晶硅太阳电池 4 EL 图像，图像整体为黑色，但带有较多亮斑。此种电池片缺陷为花片，花片缺陷造成的主要原因为烧结不透，花片同样会给太阳电池电性能造成严重影响。图 4 太阳电池 3 电致发光图像图 5 太阳电池 4 电致发光图图 6 A,B 为多晶硅太阳电池 5 在可见光下及EL 图像。在可见光下仅可看到此电池片的显裂，而在 EL 图像中电池的显裂及隐裂均被识别出来。A B图 6 太阳电池片 5 可见光下及 EL 图像A 太阳电池 5 可见光下图像 ;B 太阳电池 5 EL 图像图 1 晶体硅太阳能电池电致发光光谱图 [2]107第 5期2 010 年 10 月通过实验结果及分析，基于电致发光的晶体硅太阳电池缺陷检测能将电池中各种可能存在的缺陷检测出来。同时它也适用于太阳电池组件的检测，并具有非接触、快速、准确的优点。3 对实验样品进行性能测试对缺陷试验片进行 I-V 特性曲线、填充因子、转换效率、串联电阻等性能测试，以进一步确认电池片中缺陷的存在，观察缺陷存在对电池片电性能的影响，并加入无明显缺陷的太阳电池片 0 作为对比。实验采用上海赫爽太阳能有限公司生产的太阳电池测试仪，对存在隐裂缺陷的太阳电池片 1、断栅电池片 2、电阻不匀电池片 3、花片电池片 4 进行了电性能测试。下图 7 A-D 为四个试验片的 I-V 特性曲线测试结果，表 1 为试验片的其他电性能测试结果。图 7 试验电池片 I-V 特性曲线图A 隐裂太阳电池 1 I-V 特性曲线图； B 断栅太阳电池 2 I-V 特性曲线图； C 电阻不匀太阳电池 3 I-V 特性曲线图； D 花片太阳电池4 I-V 特性曲线图表 1 试验太阳电池片电性能测试表电池名称测试温度 ℃ 校正到光强 mw/cm 2 校正到温度 ℃ 开路电压（ V）短路电流 A 串联电阻 Ohm 并联电阻 Ohm 最大功率 W 填充因子（）效率（）1 25.35 100 25.35 0.59 1.44 0.0726 96.32 0.496 58.00 8.172 25.44 100 25.443 25.37 100 25.37 0.61 2.18 0.0410 21.24 0.932 70.17 10.94 25.35 100 25.35 0.61 4.41 0.0663 13.86 0.963 35.51 6.170 25.42 100 25.42 0.61 4.96 0.029 128.6 1.28 72.77 15.2A BC D从上述测试结果可以看到，隐裂、断栅、电阻不匀、花片等缺陷对太阳电池有不同程度的影响，缺陷电池相对于无明显缺陷的对比电池短路电流、并联电阻、填充因子、效率均下降，而串联电阻均有所增加，对开路电压的影响较小。隐裂致使太阳电池片 1 串联电阻增大，串联电阻影响太阳电池的正向伏安特性，致使短路电流显著下降；串联电阻的增大和并联电阻的减小都会使肖娇等缺陷太阳电池 EL 图像及伏安特性分析Modern Scientific Instruments108 N o. 5 Oct. 20 10填充因子和光电转换效率下降明显。这也与文献中 [5]的仿真结果相符。电阻不匀太阳电池片部分区域的串联电阻较大，缺陷密度高，少子在此处复合速度更快，少子寿命降低。同时试验片 3 的并联电阻明显降低，并联电阻对短路电流影响较小，但影响反向特征，并联电阻产生较大的漏电流使得最终试验片 3 的短路电流较小，使得电池功率及填充因子下降。花片为一般为烧结不透所致，在丝网印刷工艺中，银导电浆料主要由银粉颗粒、无机相及有机载体组成，银粉作为导电功能相，其烧结质量直接影响收集电流的输出。研究还发现，若铝背场浆料中含有碱金属钾，引入了深杂质能级，少子寿命严重下降 [6] 。表一可看到花片电池存在较低的并联电阻，体内存在大量的复合中心，故理想因子及反向饱和电流较大，图 7（ D）中可以看到花片太阳电池填充因子下降近一半，可将其归为不合格片。太阳电池片 2 的 I-V 特性曲线等电性能均无法正常测量，验证了 EL 图像得到该电池断栅的准确性。另一方面 , 并联电阻减小一般影响太阳电池开压，但在试验中反映的不明显。4 结论利用电致发光原理对多晶硅太阳电池片做了近红外成像实验，并将多晶硅太阳电池同一位置可见光下的图像与 EL 图像进行对比， EL 图像准确地检测出了多晶硅太阳电池中可能存在的隐裂、断栅、电阻不匀、花片等缺陷，而这些缺陷均为可见光下无法观测出来的隐性缺陷，同时存在显裂和隐裂的电池片及人为划痕与内部晶界在 EL 图像中也被完全识别开来。对存在缺陷的电池片进行了电性能测试，测试的结果证实试验片中缺陷的存在，并可看出缺陷存在使得多晶硅太阳电池串联电阻增大、并联电阻减小，填充因子、效率下降显著。参考文献[1] 刘恩科 , 朱秉生 , 罗晋生等 . 半导体物理学 [M]. 西安西安交通大学出版社， 1998286[2] P. Wü rfel, T. Trupke, and T. Puzzer. Diffusion lengths of silicon solar cells from luminescence images[J]. J. Appl. Phys, 2007, 101,123110[3] C.P.Chen， Analytical Determination of Critical Crack Size in Solar Cells ， JPL Publication 88-19[4] David Hinken,Klaus Ramspeck,Karsten Bothe.Series resistance imaging of solar cells by voltage dependent electroluminescence[J]. J. Appl. Phys, 2007,91,182104[5] 郑建邦，任驹，郭文阁等 . 太阳电池内部电阻对其输出特性影响的仿真 [J]. 太阳能学报 ,2006,272121-125[6] 张忠文，刘祖明等 . 铝浆特性及烧结工艺条件对晶体硅太阳电池背场的影响 [C]. 21 世纪太阳能新技术 -2003 年中国太阳能学会学术年会论文集 ,2003