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1、电致发光检测方法及其应用电致发光检测方法及其应用 Willurpimd, Jacky 电致发光，又称场致发光，英文名为 Electroluminescence，简称EL。目前，电 致发光成像技术已被很多太阳能电池和组 件厂家使用，用于检测产品的潜在缺陷， 控制产品质量。 一、EL测试原理 EL的测试原理如图1所示【1】，晶体 硅太阳电池外加正向偏置电压，电源向太 阳电池注入大量非平衡载流子，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；再利用CCD相机 捕捉到这些光子，通过计算机进行处理后 显示出来，整个的测试过程是在暗室中进 行。 本征硅的带隙约为1.12eV，这样
2、我们 可以算出晶体硅太阳电池的带间直接辐射 复合的EL光谱的峰值应该大概在1150nm附 近，所以，EL的光属于近红外光（NIR）。 图1 EL测试原理图 EL图像的亮度正比于电池片的少子扩 散长度与电流密度（见图2【2】），有缺 陷的地方，少子扩散长度较低，所以显示 出来的图像亮度较暗。通过EL图像的分析 可以有效地发现硅材料缺陷、印刷缺陷、 烧结缺陷、工艺污染、裂纹等问题。 二、EL图像分析 1.隐裂 硅材料的脆度较大，因此在电池生产 图2 EL强度决定于正向注入电流密度和少子扩散长度 过程中，很容易产生裂片，裂片分两种， 一种是显裂，另一种是隐裂。前者是肉眼 可直接观察到，但后者则不行。
3、后者在组 件的制作过程中更容易产生碎片等问题， 影响产能。 通过EL图就可以观测到，如图3所示， 由于（100）面的单晶硅片的解理面是（ 111），因此，单晶电池的隐裂是一般沿着 硅片的对角线方向的“X”状图形。 电致发光检测方法及其应用电致发光检测方法及其应用 Willurpimd, Jacky 图3 单晶硅电池的隐裂EL图及区域放大图 但是由于多晶硅片存在晶界影响，有 时很难区分其与隐裂，见图4的红圈区域。 所以给有自动分选功能的EL测试仪带来困 难。 图4 多晶片的EL图 2.断栅 印刷不良导致的正面银栅线断开，从 图5的EL图中显示为黑线状。这是因为栅线 断掉后，从busbar上注入的
4、电流在断栅附 近的电流密度较小，致EL发光强度下降。 图5 印刷断线的EL图 3.烧结缺陷 一般而言，烧结参数没有优化或设备 存在问题时，EL图上会显示网纹印(图6左) 。采取顶针式或斜坡式的网带则可有效消 除网带问题，图6右是顶针式烧结炉里出来 的电池，图中黑点就是顶针的位置。 电致发光检测方法及其应用电致发光检测方法及其应用 Willurpimd, Jacky 图6 有烧结问题的EL图 4.“黑心”片 图7 黑心片EL图 直拉单晶硅拉棒系统中的热量传输过 程对晶体缺陷的形成与生长起着决定性的 作用。提高晶体的温度梯度, 能提高晶体 的生长速率, 但过大的热应力极易产生位 错。图7就是我们一
5、般所说的“黑心”片的 EL图。在图中可以清楚地看到清晰的旋涡 缺陷, 它们是点缺陷的聚集, 产生于硅棒 生长时期。此种材料缺陷势必导致硅的非 平衡少数载流子浓度降低，降低该区域的 EL发光强度。 5.“漏电”问题 图8 漏电电池片的EL图、红外图、局部放大图 电致发光检测方法及其应用电致发光检测方法及其应用 Willurpimd, Jacky 漏电电池一般指电性能测试时，Irev2 值（给电池加反向偏置电压-12V时的电流 值）偏大的片子。如图8第一幅图所示，EL 显示的较粗黑线表明该区域没有探测器可 探测到的光子放出。我们再给电池加反压 测试其发热情况，结果如图8第二幅图，可 见与EL对应区
6、域发热严重。用显微镜观察 后分析可知，在电池正面银浆印刷，由于 硅片表面存在划伤，浆料进入裂缝的pn结 位置；分选的IV测试加12V反压时，直接导 致正面pn结烧穿短路。因此，EL测试时， 该区域显示为黑色。 需要额外说明的是，很多人认为EL测 试时对电池加“反压”，可以观测Irev2值 的分布，这是不对的。如图9所示的硅太阳 电池的光子发光光谱范围，机理及探测器 的适用范围。EL使用的探测器一般为硅的 CCD，它的可测量光谱最多到1200nm左右， 而加反压下的电池的发热为辐射热，属于 远红外（FIR）的范围。因此，硅的CCD不 可能测量出电池的辐射发热。但用其他种 类的探测器则可以，如fl
7、uke的红外热像仪 使用的是氧化钒（VOx）的微辐射计，其可 观测光谱区间为8至14m，因此可以测量 远红外光。 图9 硅太阳电池的光子发光光谱范围，机理及探测器 的适用范围 三、EL在组件中的应用 组件是由晶体硅太阳电池通过串联或 并联的方式连接起来，因此，EL也适用于 组件的质量监控，在组件层压前和成品监 督，均可以使用EL抽检组件质量问题。如 图10所示，通过组件的EL图，可以看出组 件内部电池隐裂、断栅、黑心片等问题。 图10 组件EL图 电致发光检测方法及其应用电致发光检测方法及其应用 Willurpimd, Jacky 但EL在测试组件时存在一些问题：由 于组件尺寸较大，采用单个C
8、CD相机的话， 无论其像素有多高，都会产生四角图形畸 变，而且由于景深的限制，周围的电池图 片不是很清楚；如果采用多相机或连续拍 摄拼接图片的方式，则要做到很好的图像 拼合，对软件部分的要求很好。因此，从 成本和测试产能的角度考虑，需要选择合 适自己公司的EL测试台。 四、总结 电致发光技术提供了晶体硅太阳电池 的电学特性和材料特性的相关信息，也可 应用于大型的太阳能电池组件的测试，适 用于太阳电池、组件生产的质量监控。 在硅中，电荷注入的方法有很多，归 纳起来，可分为光注入和电注入两类。因 此，与电致发光EL对应的还有一种非接触 式测试的光致发光（Photoluminescence， PL）
9、技术，以后再作相应介绍。 参考文献： 【1】Y. Takahashi, Y. Kaji, A. Ogane, Y. Uraoka and T. Fuyuki, “-Luminoscopy- Novel Tool for the Diagnosis of Crystalline Silicon solar cells and Modules Utilizing Electroluminescence“, IEEE, 2006, pp.924-927 【2】Takashi Fuyuki, Yasue Kaji, Akiyoshi Ogane, and Yu Takahashi, “ANALTIC
10、FINDINGS IN THE PHOTOGRAPHIC CHARACTERIZATION OF CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS USING ELECTROLUMINESCENCE“, IEEE, 2006, pp.905-907 【3】M. Kasemann, W. Kwapil, B. Walter. “PROGRESS IN SILICON SOLAR CELL CHARACTERIZATION WITH INFRARED IMAGING METHODS”, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2008
