晶體硅太陽(yáng)電池缺陷分析與激光隔離

II晶體硅太陽(yáng)電池缺陷分析與激光隔離摘 要本文以晶體硅太陽(yáng)電池缺陷識(shí)別、分類(lèi)與漏電消除為目標(biāo)，針對(duì)企業(yè)產(chǎn)線電池成品展開(kāi)了一系列檢測(cè)分析工作，并對(duì)漏電電池樣品進(jìn)行了批量隔離實(shí)驗(yàn)，獲得良好的效果。本文第一章首先介紹了目前光伏行業(yè)的發(fā)展與太陽(yáng)電池基本理論，第二章將簡(jiǎn)要地介紹缺陷檢測(cè)與激光隔離工作中使用到的各種檢測(cè)技術(shù)原理及其設(shè)備，包括太陽(yáng)電池V測(cè)試儀、紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)、電致發(fā)光檢測(cè)儀、光致發(fā)光檢測(cè)儀以及光誘導(dǎo)電流測(cè)試儀等檢測(cè)手段，并介紹激光及其與材料的相互作用。第三章將通過(guò)采用上述各種檢測(cè)設(shè)備，對(duì)多廠家晶體硅太陽(yáng)電池的等外品進(jìn)行較詳盡的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，并比較清晰地總結(jié)出18類(lèi)對(duì)太陽(yáng)電池產(chǎn)生不同影響的缺陷類(lèi)型，包括7類(lèi)漏電缺陷與1類(lèi)非漏電缺陷。本文還從多方面對(duì)電池缺陷進(jìn)行比較詳細(xì)和清晰的闡述：歸納缺陷的定義與解釋?zhuān)偨Y(jié)出各類(lèi)缺陷在各種測(cè)試的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其對(duì)電池性能的總體影響，分析并推測(cè)各類(lèi)缺陷的來(lái)源與機(jī)理，以及提出相應(yīng)的預(yù)防手段與避免方法。本工作最后還將對(duì)各類(lèi)缺陷進(jìn)行統(tǒng)一歸類(lèi)，總結(jié)一套關(guān)于晶體硅太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與體系，并提出多項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以作為批量缺陷檢測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn)。第四章將在電池缺陷檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其修復(fù)價(jià)值挑選出部分漏電電池樣品，并采用532nm綠光脈沖激光器其進(jìn)行隔離修復(fù)。本工作先采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行激光工藝優(yōu)化，再對(duì)漏電樣品進(jìn)行實(shí)質(zhì)性隔離，并通過(guò)各種手段表征隔離效果，測(cè)量刻槽的形貌，以及檢測(cè)隔離后的損傷，為批量隔離實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。在激光工藝得到優(yōu)化以后，分別對(duì)20片邊緣漏電缺陷電池與隨機(jī)挑選的約130片各類(lèi)漏電電池進(jìn)行小批量隔離實(shí)驗(yàn)。激光邊緣隔離實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)未刻邊的常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池樣品進(jìn)行激光邊緣隔離工藝，效果非常明顯，效IIII率可恢復(fù)到17%，達(dá)到同批次電池的正常水平，一定程度上展現(xiàn)出激光邊緣隔離的優(yōu)勢(shì)。其它各類(lèi)漏電電池將按漏電缺陷類(lèi)型分成四組，各組激光隔離的結(jié)果也顯示與初步分析結(jié)果相似，展現(xiàn)出不同的修復(fù)價(jià)值，大部分樣品在隔離后效平均提高1以上，表明批量實(shí)驗(yàn)獲得比較好的效果。關(guān)鍵字：晶體硅太陽(yáng)池，缺陷檢測(cè)，漏電缺陷，激光隔離目錄目錄目 錄第一章緒論11.1光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展11.11效率與成21.2晶體硅太陽(yáng)電池31.21半導(dǎo)體理31.22外電場(chǎng)作用下的pn結(jié) 41.23復(fù)51.24太陽(yáng)電池原理結(jié)構(gòu)61.25電學(xué)參71.26常規(guī)制備工71.3漏電81.31電學(xué)模81.32漏電缺91.4研究背景101.5本論文工作第二章檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備122.1太陽(yáng)電池IV測(cè)試術(shù) 122.2紅外熱像檢測(cè)技術(shù)142.3電致發(fā)光與光致光檢測(cè)技術(shù)162.4光誘導(dǎo)電流測(cè)試術(shù)212.5激光222.51激光原222.52激光與材料的互作用242.53激光工藝在太電池上的應(yīng)用26第三章缺陷檢測(cè)與分析273.1檢測(cè)方法與流程273.11實(shí)驗(yàn)樣27PAGEPAGE613.1.2檢測(cè)方法與流程283.2結(jié)果與分類(lèi)293.2.1漏電缺陷313.22非漏電缺453.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)603.4小結(jié)66第四章激光隔離修復(fù)674.1激光隔離工藝674.11隔離原674.12工藝?yán)?84.13實(shí)704.2實(shí)驗(yàn)分析704.3批量實(shí)驗(yàn)764.31邊緣隔764.32主要漏電隔804.4小結(jié)88總 結(jié)90參考文獻(xiàn) i第一章緒論1.1光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展隨著化石能源不斷減少和能源需求越來(lái)越大，新能源產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展迫在眉睫。作為新能源產(chǎn)業(yè)的重要一員，光伏產(chǎn)業(yè)也擔(dān)負(fù)著十分艱巨的任務(wù)，在政策和市場(chǎng)的推動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。1954年，第一塊太陽(yáng)電池在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，太陽(yáng)電池進(jìn)入應(yīng)用時(shí)代。1970年代出現(xiàn)世界能源危機(jī)，人們開(kāi)始把太陽(yáng)電池應(yīng)用從衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到民用，從而使太陽(yáng)電池逐步走向商業(yè)化。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，特別是中國(guó)的加入，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為迅猛，太陽(yáng)電池年產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，如圖11所示，2003年全球太陽(yáng)電池年產(chǎn)量只有764W，根據(jù)權(quán)威雜志《Potonntentionl》的最新調(diào)查結(jié)[]，201年，太陽(yáng)電池年產(chǎn)量已達(dá)到37.2GW，增長(zhǎng)36。從2003年起，增長(zhǎng)率基本保持在34以上。圖11全太電歷產(chǎn)量狀圖年產(chǎn)量增長(zhǎng)巨大，在目前各類(lèi)太陽(yáng)電池中，占市場(chǎng)主導(dǎo)地位一直是晶體硅電池，其市場(chǎng)份額基本保持在80%以上，其中多晶硅產(chǎn)量比例最多，占全部電池總量的53%。相比之下，晶體硅電池作為第一代太陽(yáng)電池，技術(shù)日益成熟，第二代太陽(yáng)電池薄膜電池，目前產(chǎn)業(yè)化所占份額還比較少，第三代太陽(yáng)電池基第一章第一章本還在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)之中。自上世紀(jì)五十年代末，我國(guó)就有太陽(yáng)電池方面的研究，但其發(fā)展速度一直滯后于國(guó)外。改革開(kāi)放以后，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)得到了初步的發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)研究的逐步深入以及海外留學(xué)人才的歸來(lái)，我國(guó)的光伏隊(duì)伍不斷壯大，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷提升，200年后正值歐洲市場(chǎng)的迅速膨脹，在內(nèi)外因素的共同推動(dòng)下，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)不可阻擋地飛速發(fā)展，2007年成為全球最大的太陽(yáng)電池生產(chǎn)國(guó)，并連續(xù)五年居世界第一，2010年我國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量為13.5GW，約占全球產(chǎn)量50。歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（PA）發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示]，201年全球新增光伏裝機(jī)量達(dá)到27.7GW，同比2010年增長(zhǎng)70，到201年年底全球累計(jì)光伏裝機(jī)達(dá)到67.4GW。歐洲地區(qū)繼續(xù)成為全球主要市場(chǎng)，占據(jù)了全球新增光伏裝機(jī)的75%。意大利超過(guò)德國(guó)成為全球裝機(jī)量最大的國(guó)家，新增安裝量達(dá)到9GW。我國(guó)年裝機(jī)量也逐漸提高，201年國(guó)內(nèi)新增裝機(jī)量已超過(guò)2GW，在各種政策的推動(dòng)下，我國(guó)市場(chǎng)潛力巨大，不久將成為主要的光伏市場(chǎng)之一。1.11效率與成本效率與成本是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大關(guān)鍵要素，高效率、低成本一直是光伏界奮斗的目標(biāo)。根據(jù)MatinA.Grn等人的最新調(diào)查，各類(lèi)太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效[]如表11所。表11地上確的陽(yáng)電轉(zhuǎn)效列（準(zhǔn)測(cè)條下）種類(lèi)效率面積c2)研制位單晶太電池25.00.54.00新南爾大學(xué)多晶太電池02弗朗夫究所砷化薄太電池944阿爾設(shè)公司銅銦硒陽(yáng)池96國(guó)家再能實(shí)室碲化太電池32國(guó)家再能實(shí)室非晶太電池36歐瑞太能驗(yàn)室納米硅陽(yáng)池99日本淵司染料化陽(yáng)池1.±0.31.007夏普有機(jī)膜陽(yáng)池10.00.31.021三菱工中山中山學(xué)士位文目前，光伏技術(shù)發(fā)展速度比較穩(wěn)定，晶體硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率平均每年以0.40.5的速度提升。在國(guó)內(nèi)，單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率平均約達(dá)到18.5，多晶硅也平均達(dá)到1%以上。另外，每家大企業(yè)都擁有自己的專(zhuān)有技術(shù)，例如，三洋公司量產(chǎn)的HT電池采用異質(zhì)結(jié)本征薄層的結(jié)構(gòu)，最高達(dá)到23.7的轉(zhuǎn)換效率，在光伏市場(chǎng)上倍受青睞；尚德的“冥王星”電池采用類(lèi)似新南威爾士大學(xué)的PERL電池結(jié)構(gòu)，在今年年初實(shí)現(xiàn)了0.3%的轉(zhuǎn)換效率；晶龍的“賽秀”最高效率達(dá)到19.2、保利協(xié)鑫“鑫單晶、英利“熊貓”等電池技術(shù)都平均達(dá)到18.5以上的轉(zhuǎn)換效率。效率往高處提升，成本往低處下降，低成本的光伏發(fā)電是晶體硅太陽(yáng)電池發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，光伏組件成本約占光伏發(fā)電系統(tǒng)的5060，太陽(yáng)電池約占組件成本的6070，電池成本中多晶硅材料占3040，因此，要降低光伏發(fā)電成本，必須使太陽(yáng)電池成本降下來(lái)，而材料就是其中的一個(gè)重要部分。低成本的實(shí)現(xiàn)主要包括優(yōu)化制備工藝、降低材料成本、改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)新型材料、提升組件壽命以及減少性能損失等途徑。在目前行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩組件滯銷(xiāo)的狀況下，多家企業(yè)甚至報(bào)出0.8美元/Wp以下的組件價(jià)格，雖然不是正常價(jià)格，但可以確定光伏發(fā)電成本已經(jīng)逐步降低，只要國(guó)內(nèi)政策支持與市場(chǎng)打開(kāi)，光伏發(fā)電就到了可以跟火電、水電競(jìng)爭(zhēng)的階段。1.2晶體硅太陽(yáng)電池1.21半導(dǎo)體理論對(duì)于同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，兩種半導(dǎo)體內(nèi)部雜質(zhì)分布不同，p型半導(dǎo)體空穴濃度高，n型半導(dǎo)體則電子濃度高。由于擴(kuò)散作用，在交界處，p型半導(dǎo)體的空穴向n型流去，剩下來(lái)的只有帶負(fù)電荷的電離受主，而n型半導(dǎo)體的電子則向p型流去，只剩下帶正電的電離施主，從而形成了由n型正電荷區(qū)指向p型負(fù)電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)q。如圖12（）所示。第一章第一章圖12pn結(jié)4]在內(nèi)建電場(chǎng)下，載流子將作漂移運(yùn)動(dòng)，方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，這樣隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，內(nèi)建電場(chǎng)將增強(qiáng)，同時(shí)漂移運(yùn)動(dòng)也將增強(qiáng)，在這兩種運(yùn)動(dòng)作用下，內(nèi)部將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這就是平衡狀態(tài)下的pn結(jié)。1.22外電場(chǎng)作用下的-n結(jié)平衡狀態(tài)下的pn結(jié)，流過(guò)pn結(jié)的凈電流為零，內(nèi)建電場(chǎng)穩(wěn)定。當(dāng)置電壓的情況下，平衡狀態(tài)被打破，內(nèi)建電場(chǎng)改變，流過(guò)pn結(jié)的擴(kuò)散電流與漂移電流將不再相等。若加F正向偏置電壓，p區(qū)接正n區(qū)接負(fù)，則偏置電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，內(nèi)建電場(chǎng)減弱，空間電荷區(qū)將變窄，勢(shì)壘降低到q（VF。原來(lái)的擴(kuò)散電流將增加，漂移電流將減小。n區(qū)的電子將涌向p區(qū)聚集在邊界，p區(qū)的空穴也流向n區(qū)成為非平衡載流子。這些載流子將繼續(xù)向pn結(jié)兩端擴(kuò)散，并不斷與該區(qū)的多數(shù)載流子復(fù)合，并在一定的距離后完全復(fù)合。這種加正向偏置電壓產(chǎn)生非平衡載流子的情況稱(chēng)為電注入。中山中山學(xué)士位文（正偏置 （b反偏置圖13外場(chǎng)的pn結(jié)4]若加R反向偏置電壓，即p區(qū)接負(fù)n區(qū)接正，效果相反。內(nèi)建電，空間電荷區(qū)變寬，勢(shì)壘高度升高到q（R，此時(shí)漂移電流大于擴(kuò)散電流。在增強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，n區(qū)邊界的少數(shù)載流子空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的電子被拉向n區(qū)，造成n區(qū)邊界的空穴與p區(qū)邊界的電子減少，內(nèi)部的少子隨即擴(kuò)散至邊界區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充，形成反向的擴(kuò)散電流。1.23復(fù)合外界注入將破壞pn結(jié)的平衡狀態(tài)，非平衡載流子濃度增大，當(dāng)注入消失，無(wú)過(guò)剩載流子產(chǎn)生，但復(fù)合繼續(xù)，非平衡載流子濃度呈指數(shù)衰減，直至回到平衡狀態(tài)。微觀上，我們把少數(shù)載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的時(shí)間稱(chēng)為少子壽命，少子壽命定義為非平衡載流子濃度減少到1/e所需的時(shí)間。少子壽命是由復(fù)合過(guò)程決定的。（直復(fù)合 （）接合圖14復(fù)過(guò)程根據(jù)電子與空穴復(fù)合的途徑，可分為直接復(fù)合與間接復(fù)合，如圖1-4所示。直接復(fù)合是電子從導(dǎo)帶直接躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合；間接復(fù)合是電子先經(jīng)過(guò)中間的復(fù)合中心在躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。根據(jù)能量釋放的方式，復(fù)合又可以分成輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合與俄歇復(fù)合。輻射復(fù)合是指在復(fù)合的過(guò)程中伴隨著光第一章第一章子的釋放，可以通過(guò)直接或間接的方式進(jìn)行；非輻射復(fù)合是以聲子的形式釋放能量，可以直接提高晶格溫度。1.24太陽(yáng)電池原理與結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)電池實(shí)質(zhì)上是大型的二極管，結(jié)構(gòu)上就是一個(gè)pn結(jié)。當(dāng)有能量大于禁帶寬度的光入射到pn結(jié)，結(jié)區(qū)以及附近空間將吸收能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子與空穴在復(fù)合之前被分離開(kāi)，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)，從而產(chǎn)生出n到p區(qū)的漂移電流，是所謂的光生電流。此后，電子將聚集在n區(qū)，空穴堆積在p區(qū)，形成了與內(nèi)建電場(chǎng)相反的電勢(shì)q，使pn結(jié)勢(shì)壘降低qq。若用導(dǎo)線直接將pn結(jié)兩極連通，該電流就是短路電流；若兩極不連通，外部電流為零，光生電壓V就是開(kāi)路電壓。圖15太電基原理晶體硅太陽(yáng)電池一般屬于n/p結(jié)構(gòu)，一邊是摻磷的n型區(qū)，另一是摻硼的p型區(qū)，以及它們之間的勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)有內(nèi)建電場(chǎng)，兩邊是沒(méi)有電場(chǎng)的準(zhǔn)中性區(qū)n區(qū)與p區(qū)分別跟前后電極結(jié)合形成歐姆接觸，n區(qū)是受照面，摻雜濃度較高，稱(chēng)為發(fā)射區(qū)，輕摻的p區(qū)則稱(chēng)為基區(qū)。發(fā)射區(qū)很薄，使入射光容易到達(dá)pn結(jié)與基區(qū)被吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)，良好的歐姆接觸與導(dǎo)電性好的電極有助于載流子的收集。中山中山學(xué)士位文1.25電學(xué)參數(shù)當(dāng)不受光照時(shí)，太陽(yáng)電池顯然只是一個(gè)二極管，其V關(guān)系可以表示成I=SeV/VT?11)其中s是飽和電流，而kT/q，k是波爾茲曼常數(shù)，當(dāng)受光照時(shí)，太陽(yáng)電池內(nèi)部將產(chǎn)生由n區(qū)流向p區(qū)的光生電流ph，一般二極管電流定義為由p區(qū)到n區(qū)，則ph為負(fù)向電流，總電流為I=SeV/VT??L 12)當(dāng)V0，則短路電流為當(dāng)0，則開(kāi)路電壓為

sc=?L 13)電池的輸出功率為

V =VnILoc TIoc T

+14)P=V=sVeV/VT??LV 15)要得到最大輸出功率，可以令dP/dV0，可推出最大輸出功率時(shí)的電壓電流分別為max TV =VnIL/Is1max TVPx/VT1

1-6)于是最大輸出功率

max=S

VPxVT

eVPx/VT

17)max=maxmax 18)我們另外定義一個(gè)重要參數(shù)，填充因子則太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率η為

FF≡PIscVocη=FIscVocP

19)110)1.26常規(guī)制備工藝工業(yè)上晶體硅太陽(yáng)電池的制備工藝已經(jīng)比較成熟，除了新型結(jié)構(gòu)特殊工藝外，工藝大同小異。晶體硅太陽(yáng)電池分為單晶硅與多晶硅，但制備工藝上基本第一章第一章相似，從硅片到電池成品，常規(guī)工藝流程要包括去除表面損傷、清洗制絨、擴(kuò)散制結(jié)、刻蝕邊緣結(jié)、去磷硅玻璃、鍍反射膜、印刷電極以及燒結(jié)等5]。去除損傷

清洗制絨

擴(kuò)散制結(jié)

邊緣刻蝕烘干燒結(jié)

印刷電極

鍍反射膜

去除磷硅圖16常晶硅陽(yáng)池制工藝隨著光伏產(chǎn)業(yè)的需求與機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人工操作逐漸減少，而自動(dòng)化生產(chǎn)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在太陽(yáng)電池的生產(chǎn)線上，這有助于提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率、降低操作失誤以及提升電池成品的整體質(zhì)量，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有積極的推動(dòng)作用。漏電電學(xué)模型在理想狀態(tài)下，受光照的太陽(yáng)電池相當(dāng)于電流源和二極管的結(jié)合，但根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu)，硅體、電極、接觸等部位必定產(chǎn)生相應(yīng)的電阻，因此，為了進(jìn)一步表征太陽(yáng)電池的性能，用一個(gè)等效電路表示太陽(yáng)電池的電學(xué)模型。圖17太電電模型6]模型中的串聯(lián)電阻Rs包括電池本身的體電阻、前電極金屬柵線電阻、前后電極與硅片的接觸電阻等，而并聯(lián)電阻Rh要用于表示電池片pn結(jié)的漏，中山中山學(xué)士位文包括晶體內(nèi)部復(fù)合電流和其它缺陷漏電等?？紤]到串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rh，太陽(yáng)池的V特性又可表示成VIRsI=seVIRs/VT?+

Rsh

?L 11)Rs和Rh對(duì)填充因子F影響很大，理想情況下Rs為零，Rh無(wú)窮，F(xiàn)1，但實(shí)際上由于Rs、Rh的存在，F(xiàn)F一般在0.8以下。根據(jù)太陽(yáng)電池的V特性，提高短路電流c、開(kāi)路電壓c、并聯(lián)電阻R，降低串聯(lián)電阻R，是提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的主要途徑。漏電缺陷Rh是本論文重要參數(shù)之一，其表征了太陽(yáng)電池的漏電狀況。漏電是通俗的說(shuō)法，從英文shunt可知是分流的意思。晶體硅太陽(yáng)電池實(shí)際上是大面積的pn結(jié)，結(jié)兩端的載流子會(huì)聚集起來(lái)直到外電路的導(dǎo)出，若pn結(jié)出現(xiàn)了缺口，該處不但缺失內(nèi)建電場(chǎng)，還會(huì)形成通路使兩端的載流子擴(kuò)散相遇復(fù)合；另外，若pn結(jié)兩端有不正常的外部通路，也會(huì)“泄漏”載流子。圖18并電電模型根據(jù)以上漏電原理，載流子不能在pn結(jié)兩端累積，其電勢(shì)差將減弱，降低開(kāi)路電壓，同時(shí)，隨著載流子復(fù)合，光生電流就會(huì)在漏電通道消耗掉，降低短路電流。c與c的下降將大大降低對(duì)外輸出的功率，還會(huì)使電池的填充因子大幅下降，從而降低轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)電池電學(xué)模型中的并聯(lián)電阻用來(lái)反映其存在的漏電，漏電越強(qiáng)，并阻越大，因此，其測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)電池漏電非常重要。對(duì)于并聯(lián)電阻的測(cè)量，普遍的方法是在明場(chǎng)下取V曲線中=c處的斜率倒數(shù)，通常電流量程為10，但這樣會(huì)使c附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)波動(dòng)大，造成計(jì)算值出現(xiàn)較大誤差。德國(guó)H...M采用多種方法測(cè)量并阻]，除了上述方法外，還采用Drkfoward與Drkrverse兩種方法，Drkforwrd適合測(cè)量大并阻樣品，Darkrvrse則適合測(cè)量并阻小的樣品。因此，結(jié)合幾種測(cè)量結(jié)果將獲得可靠的并聯(lián)第一章第一章電阻。O.ritnstein等人認(rèn)為上述兩類(lèi)漏電方式分別是線性漏電與非線性漏電]，并給出了以下分類(lèi)。線性漏電缺陷：線性邊緣漏電、發(fā)射極貫穿裂紋和孔洞、沉積物中的反型層。非線性漏電缺陷：非線性邊緣漏電、裂紋和孔洞造成的復(fù)合、肖特基型漏電、劃痕、鋁顆粒污染、晶體內(nèi)雜質(zhì)和晶界等缺陷、Si34污染。漏電缺陷不僅容易由工藝引入，而且與晶體硅材料的缺陷也有很大關(guān)系。美國(guó)MT光伏研究室uonssisi小組對(duì)多晶硅內(nèi)部缺陷做了深入研究[]，把內(nèi)部缺陷分為三大類(lèi)：本征缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷與雜質(zhì)，把晶界、沉淀物、位錯(cuò)、復(fù)合體等缺陷一一歸類(lèi)，并對(duì)其機(jī)理作出結(jié)構(gòu)上的分析，還根據(jù)其中部分缺陷提出了消除辦法。另外，除了對(duì)鑄錠多晶硅進(jìn)行研究，小組還對(duì)帶狀生長(zhǎng)的硅片進(jìn)行各方面對(duì)比。1.4研究背景隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，全球太陽(yáng)電池的年產(chǎn)量越來(lái)越大，多種因素必然導(dǎo)致部分出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)晶體硅電池生產(chǎn)企業(yè)的等外品率約2~3%，更有部分正常電池也存在漏電缺陷導(dǎo)致性能下降的現(xiàn)象，以2010年國(guó)內(nèi)13GW的產(chǎn)量為例，國(guó)內(nèi)每年將產(chǎn)生260~390MW的次品電池，而且產(chǎn)量每年都在增加，這是一項(xiàng)不可忽略的數(shù)據(jù)，將造成極大的浪費(fèi)和成本損失。對(duì)于次品的檢測(cè)分析，企業(yè)都有采用電性能檢測(cè)與材料檢測(cè)設(shè)備，但其分析方法都不明確，普遍只停留在表面現(xiàn)象，缺乏對(duì)其深入分析。另外，次品的回收利用渠道較窄，缺乏有效的回收方法。在國(guó)外，德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家都有針對(duì)太陽(yáng)電池缺陷的研究小組，主要研究漏電缺陷或材料缺陷。以挪威nnotehSolar公司為例，該公司成功使用多種方法對(duì)太陽(yáng)電池的漏電缺陷進(jìn)行修復(fù)[]，包括激光隔離修復(fù)法與幾種化學(xué)腐蝕方法，并已將電池修復(fù)產(chǎn)業(yè)化，推出了多種采用修復(fù)電池制作的綠色組件。在國(guó)內(nèi)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)太陽(yáng)電池缺陷研究的企業(yè)與研究單位較少，激光應(yīng)用技術(shù)也剛剛起步。本實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的張陸成博士曾對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池漏電缺陷進(jìn)中山中山學(xué)士位文行過(guò)比較深入的研究[]，也提出了“補(bǔ)丁修復(fù)法”[2]進(jìn)行修復(fù)。另外，王學(xué)孟采用激光隔離修復(fù)的方式]，利用紅外激光器對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池漏電缺陷進(jìn)行修復(fù)并獲得成功，成為本論文實(shí)驗(yàn)的良好基礎(chǔ)。1.5本論文工作本課題來(lái)源于廣東省2010年重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目——《晶體硅太陽(yáng)電池修復(fù)中試。作為太陽(yáng)電池修復(fù)的前提，本課題針對(duì)低效太陽(yáng)電池的檢測(cè)分析展開(kāi)了比較深入的工作。針對(duì)目前對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池缺陷分析的模糊性，為了更進(jìn)一步探究太陽(yáng)電池性能低下的原因，本論文采用多種檢測(cè)設(shè)備與分析方法，對(duì)多家生產(chǎn)企業(yè)的低效太陽(yáng)電池進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并利用綠光激光器對(duì)太陽(yáng)電池的漏電缺陷進(jìn)行隔離實(shí)現(xiàn)性能恢復(fù)。第一，本論文將闡述到晶體硅太陽(yáng)電池中各種缺陷的定義、表現(xiàn)，一一分析其來(lái)源、機(jī)理，并提出相應(yīng)的驗(yàn)證方法與避免手段，從而有效地為生產(chǎn)工藝中各階段提供相應(yīng)的反饋信息。在獲得大量分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本論文還嘗試建立對(duì)生產(chǎn)線成品進(jìn)行缺陷識(shí)別、分類(lèi)與消除的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及體系。在各種缺陷分析的工作上，挑選具有修復(fù)價(jià)值的漏電樣品進(jìn)行下一步的激光隔離工藝。第二，對(duì)由于漏電缺陷造成性能損失的電池樣品，采用綠光脈沖激光器對(duì)漏電區(qū)進(jìn)行隔離，恢復(fù)太陽(yáng)電池性能，達(dá)到修復(fù)的目的。本論文采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，在激光參數(shù)得到優(yōu)化后，將分別對(duì)邊緣漏電缺陷以及各類(lèi)漏電缺陷進(jìn)行批量隔離實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)電池檢測(cè)分析與激光修復(fù)的目標(biāo)。論文中除了對(duì)電池進(jìn)行修復(fù)，還根據(jù)實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題與結(jié)果，對(duì)電池修復(fù)價(jià)值的問(wèn)題進(jìn)行討論分析。第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備第二章檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備2.1太陽(yáng)電池IV測(cè)試技術(shù)太陽(yáng)電池各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)從多方面反映了太陽(yáng)電池的性能，因此，各項(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確的測(cè)量對(duì)于評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池起著重要的作用。測(cè)試方法主要采用光源模擬太陽(yáng)光，在特定時(shí)間內(nèi)采集各種需要的原始信息，如電流、電壓、光強(qiáng)、溫度等，再通過(guò)公式計(jì)算得到各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)。圖21太電測(cè)電圖14]如圖21所示，太陽(yáng)電池V測(cè)試儀一般主要由光源、溫度監(jiān)控系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)電池、電子負(fù)載、測(cè)量?jī)x表、計(jì)算機(jī)等組成。基于晶體硅太陽(yáng)電池較短的響應(yīng)時(shí)間，采用脈沖光源瞬間模擬太陽(yáng)光，閃光時(shí)間通常在幾毫秒到幾十毫秒之間。作為V測(cè)試儀的最重要部分，光源通常由燈管、濾光片、積分器與透鏡等部分組成，通常采用光譜與太陽(yáng)較接近的氙燈，氙燈發(fā)出的光通過(guò)濾光片，并由透鏡會(huì)聚成平行光，使得照射在測(cè)試樣品上的模擬光更均勻。晶體硅太陽(yáng)電池的V性能測(cè)試一般要在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下進(jìn)行，即測(cè)試溫度2±2℃，光譜輻照度1000W/2，并具有準(zhǔn)的AM1.5太陽(yáng)光譜輻照度分布。V測(cè)試儀的測(cè)試步驟主要是分三步，首先利用脈沖光源進(jìn)行單閃光，等光強(qiáng)增中山中山學(xué)士位文大到處于穩(wěn)定期，再利用測(cè)量?jī)x表(/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電子負(fù)載掃描，采集輻照度、電流和電壓信號(hào)，同時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電池、待測(cè)電池和環(huán)境的溫度，最后根據(jù)EC60891對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到各項(xiàng)性能參數(shù)和V曲線，圖2與表21所示為一個(gè)典型單晶硅電池的測(cè)試結(jié)果。圖22常晶陽(yáng)池V性與PV表21常晶硅陽(yáng)池V試果%)EsA)UocV)PW)pA)UpV)RΩ）RsΩ）78.51918.3085.71320.63182.83385.33460.53120.0072361.9218目前，太陽(yáng)模擬器技術(shù)在國(guó)外發(fā)展得比較成熟，德國(guó)技術(shù)雄厚，美國(guó)、日本、瑞士和芬蘭等緊隨其后，其中脈沖模擬器占主導(dǎo)，國(guó)外主要的品牌有德國(guó)的H...M、Bgr、OptoSola，瑞士Psn，美國(guó)Spir，芬蘭Ends，還有日本NPC等。據(jù)了，e、H...M在企業(yè)和科研單位中備受關(guān)注，占據(jù)國(guó)內(nèi)晶體硅電池的主流市場(chǎng)，而薄膜企業(yè)用的較多的則是日本品牌和美國(guó)spire等模擬器。國(guó)內(nèi)在太陽(yáng)模擬器方面也有自己的產(chǎn)品，例如陜西眾森電能、秦皇島博、武漢高博、上海赫爽太陽(yáng)能等企業(yè)，光源也可以達(dá)到A級(jí)。本實(shí)驗(yàn)主要使用武漢高博的A級(jí)測(cè)試儀，能測(cè)量短路電流c、開(kāi)路電壓c、最大輸出功率P、最大工作點(diǎn)電流pm、最大工作點(diǎn)電壓p、填充因子第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備、轉(zhuǎn)換效率Ef、串聯(lián)電阻R、并聯(lián)電阻Rh以及逆電流r參結(jié)果相對(duì)比較穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，特別適合生產(chǎn)線作分選使用。2.2紅外熱像檢測(cè)技術(shù)根據(jù)普朗克黑體輻射原理，溫度高于絕對(duì)零度（273.15℃）的物體都會(huì)向外發(fā)出紅外輻射，其熱輻射與物體溫度、材料、形貌特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。紅外熱像儀可以通過(guò)監(jiān)測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射來(lái)測(cè)量物體的表面溫度，并利用計(jì)算機(jī)把溫度及溫度差轉(zhuǎn)變成偽彩色，從而直觀地反映出物體表面溫度的分布。根據(jù)Stenoltzmann定律，一個(gè)黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量（稱(chēng)為物體的輻射度或能量通量密度）Q與黑體本身的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，即εσ4 21)其中，T是絕對(duì)溫度，ε是黑體輻射系數(shù)，σ是斯特藩常量，其數(shù)值是5.673108J/(s2m224)。只要測(cè)量到單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，就可以得到相應(yīng)的溫度。根據(jù)復(fù)合理論，外來(lái)能量激發(fā)產(chǎn)生的復(fù)合也遵守能量守恒，并以光子或聲子的形式傳遞出去，聲子傳遞給晶格引起振動(dòng)而產(chǎn)生熱量。如果對(duì)太陽(yáng)電池以某種形式（施加外部電壓、受光照等）注入能量，電池將一定程度上發(fā)熱升溫，而內(nèi)部的漏電缺陷升溫特別明顯，使電池內(nèi)部形成溫度梯度分布，從而通過(guò)紅外熱像儀可以檢測(cè)到漏電區(qū)域。德國(guó)O.ritnstein等人對(duì)太陽(yáng)電池的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了理論分析[]，認(rèn)為消散的總熱量來(lái)自加熱機(jī)制與帕爾貼冷卻機(jī)制，對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行局部電熱模擬，模仿電池的高阻缺陷。小組利用了鎖相紅外熱像儀對(duì)漏電缺陷和多種影響少子壽命的缺陷進(jìn)行研究，并得到少子壽命的分布。中山中山學(xué)士位文圖23紅熱檢系原理構(gòu)如圖23所示，紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、穩(wěn)壓電源、測(cè)試平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)等組成，其原理是采用穩(wěn)壓電源對(duì)太陽(yáng)電池施加反向偏壓，樣品發(fā)熱而發(fā)射紅外光譜，利用紅外熱像儀接收紅外輻射，并連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理從而得到樣品的溫度分布圖。另外，研究表明施加正偏電壓也同樣可以檢測(cè)到漏電情[]，比較正偏置所得圖像可進(jìn)一步確定漏電類(lèi)型。圖24設(shè)圖紅外熱像檢測(cè)技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，許多使用機(jī)構(gòu)都可以自行搭建測(cè)試平臺(tái)。本論文使用到的檢測(cè)系統(tǒng)是屬于自主設(shè)計(jì)的設(shè)備，如圖2-4所示，紅第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備外熱像儀采用采用NECTS9100紅外攝像頭，分辨率為6403480，像素尺寸約為0.36mm30.36mm溫度顯示范圍40℃~12℃，最小精確到0.1℃。2.3電致發(fā)光與光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)此前討論到電注入的情況，p區(qū)空穴將擴(kuò)散到n區(qū)與其電子復(fù)合，n區(qū)的電子也同樣擴(kuò)散到p區(qū)復(fù)合，這種復(fù)合的幾率比在平衡狀態(tài)下的復(fù)合大得多。硅雖然是間接帶隙材料，復(fù)合方式屬于間接躍遷，在躍遷的過(guò)程中，還會(huì)有光子發(fā)射，當(dāng)躍遷幾率大，發(fā)光強(qiáng)度就相應(yīng)大了。利用上述原理，對(duì)電池樣品加一定的正向偏置電壓形成電注入，太陽(yáng)電池在外電場(chǎng)的作用下發(fā)光，再利用探測(cè)器對(duì)發(fā)出的光接收處理，此種技術(shù)稱(chēng)電致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)（Eletroluminesneimin，E對(duì)于光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)（Photoluminsneimaing，PL，只是注入方式改變?yōu)楣庾⑷耄庾蛹ぐl(fā)電子躍遷到高能態(tài)，在這種亞穩(wěn)態(tài)下的電子會(huì)迅速回到低能態(tài)，并以發(fā)光的形式釋放能量。對(duì)于硅而言，發(fā)出的光主要是950-1250nm的近紅外光，峰值接近150nm。圖25電發(fā)檢系的組成17]中山中山學(xué)士位文電致發(fā)光與光致發(fā)光檢測(cè)的過(guò)程都包括激發(fā)產(chǎn)生非平衡載流子、載流子復(fù)合發(fā)光、CCD接收成像三個(gè)過(guò)程。電致發(fā)光檢測(cè)儀由近紅外探測(cè)器、直流穩(wěn)壓電源、測(cè)試平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)等組成，如圖2-5所示，直流電源通過(guò)兩組壓針給電池加壓發(fā)光。電壓施加正向偏置或反向偏置均可，根據(jù)不同需求而定。近紅外探測(cè)器是系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件，目前一般采用硅基CD相機(jī)、nGAs相機(jī)，兩者主要是探測(cè)波段不同，硅基CCD相機(jī)能接收池發(fā)出約到1200nm的光，如圖26所示，而nGAs相機(jī)特別針對(duì)波長(zhǎng)900nm~1700nm的波段。圖26nGaAs相、硅D機(jī)敏與PL光范圍17]圖27光發(fā)檢系組成18]如圖27所示，光致發(fā)光檢測(cè)儀則由近紅外探測(cè)器、激發(fā)光源、測(cè)試平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)等組成，其組成與L類(lèi)似，只是將直流穩(wěn)壓源改為光源。目前普遍使用的光源是單頻的激光光源，波長(zhǎng)通常為808nm，也有廠家使用高功率ED光源作為激發(fā)源。光注入與電注入的發(fā)光波段基本相同，因此可采用相同第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備的近紅外探測(cè)器?；贓、PL的相似性，許多生產(chǎn)廠家通常把兩種技術(shù)集成在一個(gè)系統(tǒng)里。圖28分別顯示了兩種太陽(yáng)電池的電致發(fā)光圖，根據(jù)發(fā)光原理，越亮表示輻射復(fù)合越強(qiáng)，發(fā)光越強(qiáng)；越暗則輻射復(fù)合越弱，發(fā)光越弱。低摻雜濃度、低少子壽命、硅片雜質(zhì)、漏電缺陷等，都可能造成圖像亮度低。根據(jù)電池的發(fā)光強(qiáng)度，可以獲許多信息，第三章將詳細(xì)闡述。（）25單晶 （）16多晶圖28電發(fā)圖關(guān)于E、PL的優(yōu)缺點(diǎn)，EL是利用直流電源通過(guò)壓針給電池加偏壓，因此能夠反映出太陽(yáng)電池電學(xué)方面的特性，而且除了成品電池，EL對(duì)于光伏組件的檢測(cè)也很有效，是組件質(zhì)量保證的一道重要關(guān)卡。PL由于是非接觸檢測(cè)，其價(jià)值由硅錠開(kāi)始體現(xiàn)，然后是裸片和半成品硅片，最后電池成品更是檢測(cè)的主要對(duì)象之一?？梢钥闯觯珽L和PL是相互補(bǔ)充的技術(shù)，是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制的重要手段。表22中顯示了E、PL各自特點(diǎn)。表22EL與PL的對(duì)比技術(shù)特點(diǎn)電致光EL光致光PL激發(fā)源直流壓源激光、ED接觸式壓針觸非接觸檢測(cè)象電池組件硅錠硅、成電、池表征子命一般好成本一般較高中山中山學(xué)士位文根據(jù)E、PL發(fā)光原理，發(fā)光強(qiáng)度反映了少數(shù)載流子輻射復(fù)合的幾率，即發(fā)光強(qiáng)度與非平衡載流子的濃度成正比關(guān)系，而非平衡載流子的濃度取決于體內(nèi)的少子壽命。發(fā)光強(qiáng)度與體內(nèi)少子壽命是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖29、210所示，電致發(fā)光圖[]]與光致發(fā)光圖22]可以作為評(píng)估少子壽命的半定量分析方法。由于EL圖像會(huì)受到電學(xué)性能的影響，因此發(fā)光強(qiáng)度將受到干擾，PL將是更好地表征少子壽命的方法。（）eab少子命圖 （bPL圖圖29兩少壽測(cè)方法比20]圖210發(fā)強(qiáng)與子命的系（為EL圖下μPD法子命布）根據(jù)《Photonntentionl》最新調(diào)查[]，前市場(chǎng)有售的有32種CCD相機(jī)，整機(jī)系統(tǒng)更有14種，由28家供貨商供。目前比較受關(guān)注的生產(chǎn)商有澳洲Tmain、德國(guó)Optetion和Shmid、美國(guó)3iSstm以及國(guó)內(nèi)的眾森電能第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備等。如今的E、PL系統(tǒng)不但能顯示被測(cè)電池的發(fā)光圖，還能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)算法，自動(dòng)辨別出微裂紋、漏電、焊接損傷、污染、位錯(cuò)簇以及一些雜質(zhì)瑕疵等缺陷，直接反饋到企業(yè)生產(chǎn)線。部分系統(tǒng)還提供可變吞吐量、可變相機(jī)分辨率等專(zhuān)有技術(shù)，甚至能夠預(yù)測(cè)效率，估測(cè)缺陷對(duì)于硅片最終輸出功率的凈影響。本實(shí)驗(yàn)采用的是順德研究院自主設(shè)計(jì)的電致發(fā)光檢測(cè)儀，如圖21所示，該系統(tǒng)由密封暗箱保護(hù)，探測(cè)器使用QY8L600萬(wàn)像素APS幅面制冷硅基CCD相機(jī)，有效像素303232016，該相機(jī)對(duì)200μm~1200μm波段的光有效地接收，曝光時(shí)間由1ms~3600s可設(shè)。電源使用直流穩(wěn)壓電源，電壓上限15，電流上限5A。光致發(fā)光測(cè)試儀采用3istems公司的產(chǎn)品，其CCD相機(jī)有效像素為100031000，曝光時(shí)間根據(jù)圖像亮度來(lái)調(diào)節(jié)，一般為1s~3s。圖21備圖中山中山學(xué)士位文2.4光誘導(dǎo)電流測(cè)試技術(shù)在外界光注入的條件下，樣品吸收光子可以激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴在電場(chǎng)下分離從而誘發(fā)光生電流，并通過(guò)外電路可測(cè)量其電流值。光誘導(dǎo)電流測(cè)試技術(shù)（ihtmndudCurnt，BC）原理如圖212所示，采用聚焦激光束以一定步長(zhǎng)在電池正面掃描激發(fā)電流，利用金屬探針與電池主柵接觸導(dǎo)出電流，激光照射在每個(gè)步長(zhǎng)距離內(nèi)可產(chǎn)生一個(gè)光生電流值，從而得到電池掃描面的光生電流分布。圖212光導(dǎo)流理24]利用激光對(duì)電池缺陷進(jìn)行隔離，在表面的隔離區(qū)，電流的導(dǎo)出能力取決于該區(qū)與外界區(qū)域的導(dǎo)通狀況。在理想的隔離區(qū)中光生電流無(wú)法導(dǎo)出，在BC測(cè)試中光生電流為零，因此，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比隔離區(qū)與正常區(qū)域的光生電流，就可以檢驗(yàn)隔離是否有效。如圖213所示，最左邊箭頭所指的無(wú)隔離區(qū)誘導(dǎo)電流值達(dá)到85μA，右邊箭頭指示較寬方框?yàn)楦綦x區(qū)，電流值越小表示隔離效果越好。圖213利用BC征離效果本實(shí)驗(yàn)將采用Smilab公司的WT2000少子壽命測(cè)試儀作為主要的表征手段，該測(cè)試儀可進(jìn)行少子壽命、光誘導(dǎo)電流、反射率等測(cè)量，其測(cè)量方式均采用無(wú)接觸測(cè)量，是比較常用的測(cè)試工具之一。第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備2.5激光2.51激光原理激光來(lái)自于物質(zhì)與光的兩種相互作用：受激吸收與受激輻射。根據(jù)能級(jí)理論，能級(jí)是分立的，粒子在任一時(shí)刻只能處于某一能級(jí)上。粒子吸收外界激發(fā)能量，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)稱(chēng)為受激吸收；若粒子處于高能態(tài)，再吸收外來(lái)光子躍遷回低能態(tài)，同時(shí)發(fā)出另一光子，則為受激輻射。當(dāng)物質(zhì)發(fā)生受激輻射，并在一定條件下被放大，則形成激光。圖214激器理根據(jù)激光原理可知，激光器由三個(gè)部分組成，分別是工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔，如圖14。工作物質(zhì)在外界能源的激勵(lì)下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光，并通過(guò)光學(xué)諧振腔把激光來(lái)回反射，讓激光在一定的閥值條件下發(fā)射。獲得的激光束方向性好、亮度極高、能量密度極高，還具有單色性。激光器可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器，本實(shí)驗(yàn)主要采用脈沖激光器。圖215激系的成25]中山中山學(xué)士位文如圖所示，激光從諧振腔射出后，先經(jīng)過(guò)球形鏡擴(kuò)束，再通過(guò)反射鏡將激光束轉(zhuǎn)過(guò)90°，最后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡會(huì)聚，形成最終應(yīng)用的激光束。激光能量密度高，若從光束截面看，光強(qiáng)呈高斯分布。由于激光通過(guò)透鏡聚焦，在越接近焦點(diǎn)的位置，光強(qiáng)越集中，中心能量越高。圖216激強(qiáng)呈斯布激光器基本參數(shù)主要有重復(fù)頻率、脈沖寬度、單脈沖能量、平均功率、峰值功率、光斑直徑等。重復(fù)頻率f通常是激光器的可設(shè)參數(shù)，它表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出激光脈沖的個(gè)數(shù)，一般數(shù)量級(jí)在赫茲至兆赫茲之間，其倒數(shù)則表示兩個(gè)脈沖之間的間隔時(shí)間T。脈沖寬度n是指一個(gè)單脈沖持續(xù)的時(shí)間，從幾秒至幾飛秒均可實(shí)現(xiàn)，激光加工通常使用毫秒或皮秒量級(jí)的激光器，而實(shí)際上n。單脈沖能量Q可通過(guò)累積法求得Q=W=t=P

22)N ft f其中N是單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，W是總能量，P表示平均功率，即激光器的實(shí)際輸出功率，從幾瓦至幾千瓦均可實(shí)現(xiàn)。峰值功率Pp是脈持續(xù)時(shí)間內(nèi)激光能達(dá)到的瞬間功率，實(shí)際測(cè)量中可通過(guò)單脈沖能量和脈寬求得Q [2]p=.4n 23)由于光束沒(méi)有絕對(duì)邊緣，光斑直徑d通常取光強(qiáng)峰值1/e2處的寬度，包含了約80%的能量，實(shí)際中光斑直徑跟激光波長(zhǎng)與聚焦?fàn)顩r有關(guān)，通常使用的光斑在微米量級(jí)。另外，激光的峰值功率密度也是一個(gè)重要概念，它跟激光的峰值功率Pp與光斑面積S有關(guān)p=由公式Pp0.94Q/n、QP/f可得

Pp 24)S第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備p=

0.4P 25)nfS峰值功率密度取決于激光器的平均功率P、脈沖寬度n、脈沖頻率f與光斑面積S。2.52激光與材料的相互作用晶體硅太陽(yáng)電池前表面有晶體硅、氮化硅與銀電極等材料物質(zhì)，為了利用激光達(dá)到隔離的效果，必須先了解激光與以上各種材料的相互作用。激光作用在材料表面時(shí)，發(fā)生反射、吸收、折射、透射、干涉等多種現(xiàn)象，但只有反射、吸收、透射的過(guò)程對(duì)材料起作用。能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程遵守能量守恒定律0E反射E吸收E透射 26)其中，0是激光入射的能量。反射、吸收、透射的能量比例取決于激光的波長(zhǎng)與能量密度、材料的色散作用與能帶結(jié)構(gòu)以及相互作用時(shí)間等，并對(duì)應(yīng)不同的比例系數(shù)。對(duì)于太陽(yáng)電池中的固體材料，透射部分幾乎為零，入射能量除了被反射部分，其余全部被材料吸收。能量被吸收過(guò)程中，材料溫度的變化有多種規(guī)律：1）相同作用時(shí)間下，被吸收的能量越高，升溫速度就越快；2）激光波長(zhǎng)越短，吸收率越高，溫度升高就越快；3）對(duì)于不同材料，被吸收能量相同的條件下，溫度的升高取決于材料的比熱；4）當(dāng)能量一定時(shí)，材料熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，作用區(qū)的溫度升高越快。隨著能量被吸收，材料溫度將升高，溫度急劇升高將導(dǎo)致材料熔化，甚至部分材料被氣化，甚至成為等離子體。激光熱效應(yīng)是指材料溫度升高直到被熔化的一系列現(xiàn)象，當(dāng)激光能量較低，溫度升高還達(dá)不到材料熔點(diǎn)，受作用區(qū)域僅僅起到退火效果，如圖217；當(dāng)能量足夠強(qiáng)，材料溫度升高超過(guò)本身熔點(diǎn)，受作用區(qū)域?qū)⑷刍?，并在降溫的過(guò)程中再結(jié)晶，如圖218。因此，激光熱效應(yīng)將帶來(lái)材料內(nèi)部原子擴(kuò)散或晶格空位的移動(dòng)，一定程度上改變材料的特性，甚至導(dǎo)致原子、分子、離子的重新排列，改變材料的物質(zhì)形態(tài)。中山中山學(xué)士位文圖217激熱應(yīng)當(dāng)材料吸收能量后，溫度的升高不僅帶來(lái)材料的熔化，若激光能量密度超過(guò)了一定閾值，將導(dǎo)致材料氣化。若材料成為氣體后繼續(xù)吸收激光能量，將被電離成等離子體，這一現(xiàn)象稱(chēng)為激光刻蝕效應(yīng)。激光兩種效應(yīng)通常同時(shí)并存，發(fā)生刻蝕效應(yīng)的同時(shí)必然存在熱效應(yīng)。圖218激刻效應(yīng)據(jù)研究表明，在不同的激光峰值功率密度p下，材料將發(fā)生不同的物理現(xiàn)象。如下表所示。表23不峰功密下的理27]103~10Wc2104~10Wc2106~10Wc2108~101Wc2加熱熔融氣化等離體相同的激光束對(duì)于不同材料，其吸收效果也不同。晶體硅太陽(yáng)電池表面主要有硅與銀兩種材料，兩種材料的特性有比較大的差別。硅是非金屬，熔點(diǎn)141℃，沸點(diǎn)2355℃，它對(duì)激光的反射系數(shù)較低，吸收系數(shù)較高，而且對(duì)激光波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選擇性，對(duì)波長(zhǎng)為355nm與532nm激光的吸收相對(duì)比較好。銀是金屬，吸收系數(shù)很低，它對(duì)Nd:AG紅外光激光器吸收率只有0.04，熔點(diǎn)961.78℃，沸點(diǎn)2162℃，相對(duì)比硅較低。因此，激光在晶體硅太陽(yáng)電池表面掃第二章第二章測(cè)術(shù)設(shè)備描時(shí)，硅比銀的吸收激光的能力更強(qiáng)，更容易產(chǎn)生刻蝕效應(yīng)。2.53激光工藝在太陽(yáng)電池上的應(yīng)用激光的各種優(yōu)點(diǎn)受人關(guān)注，作為提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的新型手段，目前已經(jīng)以多種方式應(yīng)用到太陽(yáng)電池工藝當(dāng)中。激光刻槽：直接在硅片表面刻槽，在適當(dāng)工藝下劃穿pn結(jié)，可達(dá)到刻槽隔離的效果；另外，按前電極的模板進(jìn)行刻槽，配合化學(xué)腐蝕、電鍍等工藝制作刻槽埋柵高效電池。激光燒蝕電極：制作SiN、SiO2等鈍化層后先在其上用蒸鍍或印刷制作金屬層，再用激光按照點(diǎn)電極的圖案做局部燒結(jié)，使熔化的金屬和硅層表面形成合金制作電極。激光去膜：即燒蝕介質(zhì)膜，主要是指利用激光有選擇性地將電池背面的鈍化層燒蝕掉，在鈍化層上形成局域接觸點(diǎn)。此方法屬于非接觸式，而且工藝簡(jiǎn)單，適合薄硅片電池的制備。激光摻雜：首先硅片表面要有摻雜源，可通過(guò)旋涂或直接利用擴(kuò)散后附在的磷硅玻璃，讓激光在表面掃過(guò)，通過(guò)激光熱效應(yīng)使摻雜源的硼、磷等元素?cái)U(kuò)散到硅片內(nèi)，可制作SE電池等。激光制絨：通過(guò)激光刻蝕效應(yīng)使硅片表面形成陷光結(jié)構(gòu)，通常用于多晶硅表面織構(gòu)化，可采用密集正交刻槽或者刻蝕點(diǎn)坑的方法，再配合化學(xué)腐蝕等步驟，可以達(dá)到非常好的效果。激光鉆孔：在硅片特定位置制作多個(gè)貫穿孔，再通過(guò)相應(yīng)的擴(kuò)散及印刷等工藝，用于制作金屬卷包MWT、發(fā)射極卷包EWT等高效電池。中山中山學(xué)士位文第三章缺陷檢測(cè)與分析本章將闡述晶體硅太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)分析工作，從檢測(cè)過(guò)程中獲得各種缺陷的表現(xiàn)并為其命名，評(píng)價(jià)其對(duì)電池性能的影響，逐一分析其來(lái)源、機(jī)理，并提出相應(yīng)的驗(yàn)證方法與避免手段，從而獲得統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在各種缺陷分析的工作上，挑選具有修復(fù)價(jià)值的漏電樣品進(jìn)行下一步的激光隔離工藝，從而建立對(duì)生產(chǎn)線成品進(jìn)行缺陷識(shí)別、分類(lèi)與消除的體系。3.1檢測(cè)方法與流程3.11實(shí)驗(yàn)樣品為了使分析結(jié)果更具普遍性和代表性，本實(shí)驗(yàn)收集了國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家樣品，分別有海南英利、晶澳、愛(ài)康、南玻、山東力諾、錦州華昌等七家企業(yè)，生產(chǎn)日期從2008年到2012年不等，總數(shù)約2200片，包括約500片單晶和1600片多晶，出廠時(shí)由一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分選。電池類(lèi)型主要是1253125大倒角（直徑150mm）單晶硅、1253125小倒角（直徑65mm）單晶硅、1563156兩主柵多晶硅以及16316三主柵多晶硅，厚度最薄有180μm，最厚達(dá)到300μm以上。出廠性能方面，單晶硅轉(zhuǎn)換效率從零到17%以上均有遍及，多晶硅效率主要在13%16之間。如表31所示。表31實(shí)樣列表廠家規(guī)格海南利晶澳愛(ài)康南玻山東諾錦州昌生產(chǎn)期2012.32010.1201920182010.12009.2008.3數(shù)量1500931002008410015類(lèi)型格多晶56單晶25大倒角多晶56單晶25小倒角單晶25大倒角單晶25小倒角單晶25小倒角厚度μm180200180180220250300出廠率<16%<10%1515.6%1517%13.~17.2%1315%1213%第三章第三章陷測(cè)分析上述樣品包含了吉瓦級(jí)大型企業(yè)和規(guī)模較小的企業(yè)，生產(chǎn)日期包含了近五年內(nèi)的產(chǎn)品，類(lèi)型基本包括目前商品化的太陽(yáng)電池種類(lèi)，性能參數(shù)的范圍也足夠廣。因此，從本實(shí)驗(yàn)大批樣品和系統(tǒng)檢測(cè)中獲得的分析結(jié)果，具有一定的普遍性與說(shuō)服力。另外，本論文多處出現(xiàn)缺陷樣品與正常樣品的對(duì)比分析，其中正常樣品以當(dāng)前國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)線上的平均水平作參考。以下為其中一組參考數(shù)據(jù)。表32晶硅陽(yáng)池內(nèi)產(chǎn)平水的考據(jù)電池型..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)Rs)Rsh)單晶2578.518.35.710.6322.835.330.5317.6061.9多晶5677.617.48.670.6314.258.070.5265.5035.63.12檢測(cè)方法與流程本實(shí)驗(yàn)將對(duì)電池樣品V特性、電學(xué)性能、材料質(zhì)量、表面形貌以及結(jié)構(gòu)成分進(jìn)行分，采用的檢測(cè)設(shè)備與流程如圖31所示。光致發(fā)光Sunsoc

V測(cè)試紅外熱像電致發(fā)光

面掃描串阻電鏡&能譜

金相顯微鏡圖31缺檢基流圖首先進(jìn)行V性能測(cè)試，利用光源達(dá)到A級(jí)（）標(biāo)準(zhǔn)的武漢高博V測(cè)試儀，可以獲得電池樣品轉(zhuǎn)換效率E、填充因子、開(kāi)路電壓c、短路電流中山中山學(xué)士位文c、最大輸出功率Pm、最大工作點(diǎn)電壓pm、最大工作點(diǎn)電流pm、串聯(lián)電阻R、并聯(lián)電阻Rh以逆電流r等性能參數(shù)。為了檢測(cè)樣品是否存在漏電缺陷而降低性能，使用順德研究院自主研發(fā)的紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)觀察電池加反向偏壓的發(fā)熱情況。該系統(tǒng)采用NCTS9100紅外攝像頭，分辨率為6403480，像素尺寸約為0.36mm30.3mm，溫度顯示范圍40℃~120℃，最小精確到0.1℃。實(shí)驗(yàn)中通常施加的偏壓為V反向偏置電。單從漏電角度分析判斷顯得片面，實(shí)驗(yàn)中還利用順德研究院自主研發(fā)的電致發(fā)光檢測(cè)儀，分析電池樣品電學(xué)與材料方面的問(wèn)題，該儀器使用QY8L600萬(wàn)像素AS幅面制冷CCD相機(jī)，有效像素30323206，該相機(jī)對(duì)200μm~1200μm波段的光都可有效地接收，曝光時(shí)間由1ms~3600s可設(shè)，實(shí)驗(yàn)中一般設(shè)置為3s。電源使用直流穩(wěn)壓電源，電壓上限15，電流上限5，可通過(guò)調(diào)節(jié)施加的正向偏壓來(lái)調(diào)節(jié)圖像亮度。光致發(fā)光測(cè)試儀可清晰地顯示硅片內(nèi)部的問(wèn)題，在獲得L圖像后，在對(duì)樣品進(jìn)行PL測(cè)試并對(duì)比兩種圖像，可進(jìn)一步深入分析。本實(shí)驗(yàn)采用3iSstems公司的光致發(fā)光檢測(cè)儀，其照相機(jī)有效像素為100031000，曝光時(shí)間根據(jù)圖像亮度來(lái)調(diào)節(jié)，一般為1s~3s。根據(jù)紅外熱像圖、EL圖、PL圖，再利用金相顯微鏡對(duì)漏電區(qū)進(jìn)行觀察，部分漏電缺陷可由此確定。部分樣品可能需要進(jìn)行開(kāi)路電壓測(cè)試（Snsoc、串聯(lián)電整體分布測(cè)試、掃描電鏡SEM以及能譜儀X進(jìn)行更深入的分析。3.2結(jié)果與分類(lèi)本文經(jīng)過(guò)基本檢測(cè)流程進(jìn)行了大批量的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，初步總結(jié)出以下18類(lèi)缺陷，其中包括7類(lèi)漏電缺陷與1類(lèi)非漏電缺陷。表33顯示了初步統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)缺陷分類(lèi)，以下將分別對(duì)各類(lèi)缺陷進(jìn)行比較嚴(yán)密的詳細(xì)分析，其基本分析架構(gòu)如下：定義解釋→測(cè)試表現(xiàn)→性能影響→缺陷來(lái)源→缺陷機(jī)理→預(yù)防手段第三章第三章陷測(cè)分析表33缺類(lèi)初統(tǒng)分析序號(hào)名稱(chēng)基本因出現(xiàn)頻率1)影響2)缺陷積3)漏電與否1邊緣電電池藝較低中等中等是2前電燒結(jié)過(guò)度電池藝較低中等較大等較小是3發(fā)射破損技術(shù)作中等低較小是4漿料染電池術(shù)作較高中等低低較小小是5雜質(zhì)染電池術(shù)作較低較低低較小小是6掛鉤點(diǎn)電池藝低低小是7裂紋材料池藝技術(shù)作較高高較高等較低中等小小是否8斷柵電池術(shù)作高中等低低中等小小否9黑芯片材料備低中等較大否10網(wǎng)帶印電池藝較高中等較大否背場(chǎng)陷電池藝低較高等較低較大否12電極觸不良電池藝較低高較高大較大否13無(wú)pn結(jié)技術(shù)作低高大否14pn結(jié)反印技術(shù)作低高大否15工藝染電池藝中等/較低中等低低中等小小否16暗片材料備中等中等低低大否17暗晶粒材料備較高中等大較大否18位錯(cuò)簇材料備較高中等低低較大等較小否備注：(1)出現(xiàn)頻率指本次實(shí)驗(yàn)中缺陷所出現(xiàn)的頻繁程度，定義：高——70%以上，較高——4~70%，中等——20~0，較低——5~，低——5以下；(2)影響程度主要指通過(guò)V試分析對(duì)電池各性能參數(shù)的影響，主要參考是轉(zhuǎn)換效率與暗電流兩項(xiàng)參數(shù)；(3)缺陷面積是指缺陷所涉及的區(qū)域面積，定義：大——90以上，較大——60~90，中等——30~60，較——5~30，小——5以下。中山中山學(xué)士位文漏電缺陷邊緣漏電邊緣漏電是指電池邊緣存在pn結(jié)并造成通路而引起漏電。邊緣漏電在紅外熱像圖中非常明顯，電池邊緣或部分邊緣溫度比其它區(qū)域高。圖32紅熱圖的緣漏（8V偏，品）邊緣漏電由于漏電區(qū)面積較大，對(duì)電池性能影響也較大。如圖3-2為156多晶樣，在8V偏壓，漏電區(qū)最高溫比電池正常區(qū)域只高5℃左右，但通過(guò)與同批次正常樣品的V數(shù)據(jù)對(duì)比可知，邊緣漏電對(duì)功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率都影響比較大。圖33邊漏電與常池V線比品1）第三章第三章陷測(cè)分析表34邊漏對(duì)能影響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)Rs)Rsh)樣品174.9615.818.2750.6203.8477.1070.5277.02521.014在常規(guī)工藝?yán)?，硅片擴(kuò)散后需要去除邊緣的pn結(jié)，生產(chǎn)線通常使用等離子體刻蝕法刻邊，若參數(shù)設(shè)置有誤或硅片疊放不整齊，將造成未刻邊或刻邊不徹底的情況。目前最新的產(chǎn)線普遍采用濕法刻蝕，人工放片操作不慎也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完全刻蝕。邊緣pn結(jié)作為邊緣通道，連通pn結(jié)兩側(cè)的載流子聚集區(qū)，載流子會(huì)從邊緣相遇而導(dǎo)致漏電。為了避免邊緣結(jié)缺陷，無(wú)論采用等離子刻蝕或濕法刻蝕，都嚴(yán)格控制好工藝流程，防止操作上的失誤。前電極燒結(jié)過(guò)度前電極燒結(jié)過(guò)度是指前電極在燒結(jié)中穿透發(fā)射極而直接接觸到pn結(jié)，甚至穿透pn結(jié)直接與p型層接觸，導(dǎo)致n型與p型區(qū)導(dǎo)通而漏電此類(lèi)漏電通常面積較大，而且在主柵附近特別容易燒穿導(dǎo)致觸結(jié)漏電。前電極燒結(jié)過(guò)度對(duì)電池性能影響相對(duì)較小，如圖34為125單晶樣品，在-12V反偏電壓下，溫度只平均上升4℃左右，判斷樣品2尚未完全接觸到p造成的復(fù)合比較少。圖34前極結(jié)度（12，品2）該缺陷通常是擴(kuò)散與燒結(jié)工藝的配合失誤造成的。在適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝下，前電極經(jīng)過(guò)燒結(jié)穿透氮化硅與發(fā)射極形成歐姆接觸。為了減小表面復(fù)合和形成良好的歐姆接觸，企業(yè)會(huì)提高硅片的方塊電阻，但與此同時(shí)，發(fā)射極的厚度將中山中山學(xué)士位文減小。如此一來(lái)，燒結(jié)時(shí)電極可能穿透發(fā)射極而直接到pn結(jié)，甚至穿透pn結(jié)直接與p型層接觸，導(dǎo)致n型區(qū)與p型區(qū)的載流子復(fù)合，此類(lèi)漏電又稱(chēng)為肖特基型漏電?？偫▉?lái)說(shuō)，擴(kuò)散后發(fā)射極厚薄不一、銀漿特性不良、燒結(jié)溫度過(guò)高等均可能造前電極燒結(jié)過(guò)度。此類(lèi)漏電的預(yù)防手段該從來(lái)源開(kāi)始，應(yīng)合理優(yōu)化擴(kuò)散工藝與燒結(jié)工藝，同時(shí)根據(jù)工藝選用合適的前電極漿料。發(fā)射極破損發(fā)射極破損宏觀上是電池表面發(fā)射極的損傷。從電池表面上方一定角度反光下可以觀察到損傷，對(duì)應(yīng)區(qū)域在熱像圖、PL圖上也可以顯示，如圖35為125單晶樣品。8V反偏下紅外熱像圖溫度升幅只有3℃，其影響比較小。從參數(shù)可知，在伴有其它缺陷（少子壽命低、其它漏電）的情況下，效率降低1~2。（PL圖曝間1） （b紅熱圖8V偏）圖35發(fā)極損樣品）表35發(fā)極損性影響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)缺陷樣品374.3416.395.3200.6152.4334.8320.505發(fā)射破、少子命低發(fā)射極破損一般是摩擦造成的破損，又稱(chēng)為劃痕，生產(chǎn)線上一般采用等離子體刻邊，疊片、人手操作失誤造成摩擦、甚至傳送帶的滾動(dòng)輪都可能與硅片產(chǎn)生碰撞而造成劃痕。劃痕一般較多出現(xiàn)在單晶硅中，由于普遍單晶硅電池絨面是金字塔結(jié)構(gòu)，塔高一般在3~μm，而pn結(jié)普遍都低于1μ，因此單晶硅第三章第三章陷測(cè)分析pn結(jié)特別容易受損。硅表面摩擦破損會(huì)損傷表面，破壞n型層，導(dǎo)致發(fā)射極減薄甚至硅基體暴露在前表面。此種情況下，劃痕區(qū)將成為p-n結(jié)的一個(gè)漏洞，變成強(qiáng)烈的表面復(fù)合中心，若前電極印刷到該損傷區(qū)域，將直接導(dǎo)致肖特基型漏電。避免劃痕最好方法是在燒結(jié)前防止疊片，用其它的去邊結(jié)工藝代替等離子體刻邊，用自動(dòng)化流水生產(chǎn)線代替人工操作。漿料污染漿料污染一般是指鋁漿在電池前表面的污染，少數(shù)樣品也存在銀漿污染。根據(jù)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，鋁污染造成的漏電多數(shù)集中在前電極上，發(fā)射區(qū)其它表面發(fā)現(xiàn)漏電較少。漿料污染的面積大小不一，如圖36是156多晶樣品，紅色方框處都是漿料污染漏電區(qū)。其面積較大，對(duì)電池性能影響較大。樣品4并阻很低，電流電壓都下降，導(dǎo)致功率、填充因子較低。圖36漿污紅熱圖（12，品4）表36樣品4的V能數(shù)編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)RsΩ)RshΩ)樣品470.1314.78.4540.6043.5797.3380.48912.172.14從顯微鏡圖37可以發(fā)現(xiàn)柵線上存在較大的顆粒，懷疑是鋁漿顆粒，經(jīng)過(guò)掃描電鏡放大并作能譜分析，如圖38，g占34.73，l占21.83，可確定大型顆粒由l和g組成。中山中山學(xué)士位文圖37金顯圖與SM圖圖38SM中色處的譜圖究其原因，當(dāng)鋁漿落到銀漿之上，在燒結(jié)過(guò)程中，銀漿鋁漿在850℃左右將燒成銀鋁合金，鋁顆粒將擴(kuò)散到前電極之下與n+層接觸，而鋁顆粒呈p+型，n層與p層直接接觸而漏電。電極之間的其它表面存在漿料卻漏電較少，其原因主要是其它部分的發(fā)射區(qū)有氮化硅保護(hù)，散落鋁顆粒不易穿透保護(hù)層。鋁漿污染導(dǎo)致漏電較常見(jiàn)，但銀漿同樣可能造成漏電。如圖39為125單晶紅外熱像圖，此漏電可能與外來(lái)銀漿的性質(zhì)有關(guān)，該處燒結(jié)過(guò)度導(dǎo)致肖特基型漏電。第三章第三章陷測(cè)分析圖39紅熱圖（12，品5）圖310樣品5金顯與SM圖82.55%圖31SM圖紅十處的譜圖圖31顯示，Ag占82.55，沒(méi)有檢測(cè)出l，確定此漏電由銀漿污染導(dǎo)致。即使紅外熱像圖顯示引起漏電，但參考其V性能參數(shù)降低很小，同批次效率約17.7左右。因此，漏電溫度、漏電區(qū)域大小也不能說(shuō)明其對(duì)電池性能影響程度。中山中山學(xué)士位文表37銀污樣品5性能數(shù)編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)RsΩ)RshΩ)樣品576.5117.385.6350.6242.6925.1920.52012.8814.63漿料污染是比較常見(jiàn)的漏電缺陷，來(lái)源途徑較多，人手持片、疊片、原漿料被污染、絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版或工作臺(tái)不干凈等都可能導(dǎo)致類(lèi)似漏電，尤其是制備實(shí)驗(yàn)室人工操作步驟多，操作不熟練等。要避免漿料污染，必須是減少人工操作、減少疊片、注意工作臺(tái)衛(wèi)生狀況，最好能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線自動(dòng)化。雜質(zhì)污染雜質(zhì)是指晶體硅太陽(yáng)電池制備工藝?yán)锸褂玫降牟牧弦酝獾奈镔|(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)?zāi)骋慌蔚臉悠分谐霈F(xiàn)了一種黑色固體狀雜質(zhì)，輪廓鮮明，呈塊狀或長(zhǎng)條狀。如圖312所示為156多晶樣品上的雜質(zhì)。據(jù)觀察，雜質(zhì)部分與電極接觸或分布在發(fā)射極其它表面，紅外熱像圖顯示其漏電非常集中，漏電面積較小，但溫度相對(duì)較高，對(duì)電池的電壓、功率影響比較大。圖312落電與它表面雜質(zhì)圖313雜樣紅熱圖（8V偏，品）第三章第三章陷測(cè)分析表38雜污對(duì)池能的響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)RsΩ)RshΩ)樣品675.8116.048.3230.6193.9037.4920.5218.78565.962據(jù)目前判斷，雜質(zhì)是在印刷之前或印刷時(shí)落到前表面的，而且基本都出現(xiàn)在多晶硅太陽(yáng)電池中，但目前還不能確定是何種雜質(zhì)、產(chǎn)生于哪項(xiàng)工藝。但其漏電原理推測(cè)與漿料污染類(lèi)似，雜質(zhì)顯p型，有可能是通過(guò)燒穿發(fā)射極導(dǎo)致漏電。此雜質(zhì)需進(jìn)行EDX分析，結(jié)果待后續(xù)實(shí)驗(yàn)確定。掛鉤點(diǎn)生產(chǎn)工藝中采用PECVD鍍減反膜，由于需要支撐電池而形成掛鉤點(diǎn)。掛鉤點(diǎn)漏電是由于該區(qū)被掛鉤阻擋而缺少氮化硅，印在上面的電極更容易在高溫下燒穿發(fā)射極導(dǎo)致肖特基型漏電，或者掛鉤被污染導(dǎo)致漏電。圖314掛點(diǎn)電（8，品7）掛鉤點(diǎn)漏電區(qū)面積小、發(fā)熱溫度低，此種輕微漏電對(duì)性能影響比較小，掛鉤點(diǎn)漏電通常不是造成性能低效的原因。同時(shí)，掛鉤點(diǎn)漏電的情況也比較少，估計(jì)是由于目前多數(shù)企業(yè)普遍棄用平板式而采用管式PECV，并優(yōu)化了印刷工藝的緣故。裂紋裂紋一般根據(jù)其寬度與長(zhǎng)度，可分為微裂紋與顯裂紋，通常微裂紋肉眼難以觀察。裂紋是比較嚴(yán)重而常見(jiàn)的缺陷之一，以下將詳細(xì)分析裂紋的影響、裂紋的來(lái)源以及檢測(cè)方法。中山中山學(xué)士位文裂紋產(chǎn)生的階段對(duì)電池的影響有很大的差異，下面將逐一分析。1）若裂紋出現(xiàn)在擴(kuò)散工藝前，擴(kuò)散時(shí)，裂紋內(nèi)壁將形成垂直的pn結(jié)，直接導(dǎo)致前后電極導(dǎo)通漏電。裂紋口處常常覆蓋著減反膜，如圖315，此類(lèi)漏電類(lèi)似于邊緣漏電，面積并不大，對(duì)性能影響相對(duì)較弱。圖315擴(kuò)前裂（品8）表39擴(kuò)前紋能數(shù)編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)樣品879.1416.518.1920.624.0167.7220.5212）若裂紋出現(xiàn)在印刷電極前，漿料將滲入到裂紋內(nèi)橫跨pn結(jié)，在后面燒結(jié)的過(guò)程中，只要溫度達(dá)到840℃左右，裂紋內(nèi)壁的銀將與硅形成銀硅合金，形成強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)域，如圖316所示為裂紋截面圖。在紅外熱像圖中加較低的偏壓，漏電的溫度也特別高，如圖317。電極過(guò)裂紋常常造成電極高溫熔化變黑，如圖318，但其原因目前尚未清楚。部分電極在極細(xì)的裂紋處熔化，而有的則在較粗處熔化，但有共同點(diǎn)，熔化處往往出現(xiàn)在裂紋靠近主柵的一側(cè)。圖316裂截圖第三章第三章陷測(cè)分析圖317裂的外像（5V壓樣品9）表310樣品7性參數(shù)編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)樣品976.7316.328.3830.6173.977.6550.519（）極的紋致熔化 （）裂導(dǎo)致極化圖318裂致電熔化3）燒結(jié)工藝之后出現(xiàn)的裂紋，將不會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生漏電，但成品電池出現(xiàn)的裂紋，多數(shù)與人手操作或外力作用有關(guān)，而且多數(shù)屬于顯裂紋，此種裂紋危害重大。4）裂紋即使導(dǎo)致電池漏電，紅外熱像圖中顯示出高溫變化，但并不一定對(duì)性能影響很大。通過(guò)對(duì)比圖319樣品10其性能參數(shù)表31，發(fā)現(xiàn)即便有漿料滲入裂紋甚至柵線嚴(yán)重熔化，電池樣品也有比較好的性能，其原因有待確定。因此，紅外熱像儀檢測(cè)到電池發(fā)熱的高低，并不反映電池本身漏電的強(qiáng)弱，更不代表電池性能的優(yōu)劣。中山中山學(xué)士位文圖319金顯鏡和外熱圖（V壓品1）表31品0性數(shù)編號(hào)..)E.)sA)ocV)PW)pA)VpV)樣品77.0117.715.6560.6302.7435.2370.5255）根據(jù)最新報(bào)道[1]，研究人員在部分應(yīng)用的組件上發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)似“蝸牛爬痕”的條紋，如圖20，初步懷疑是由于水分透過(guò)微裂紋滲入到電池內(nèi)部，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電極變黑。經(jīng)過(guò)測(cè)試，部分組件性能出現(xiàn)輕微衰退。圖320系組上“牛爬”19]裂紋對(duì)太陽(yáng)電池的消極影響很大。裂紋出現(xiàn)不但容易引起電池片漏電，若被裝配成組件應(yīng)用，將容易導(dǎo)致熱斑出現(xiàn)，而且，在后期層壓封裝工藝中或者應(yīng)用時(shí)受到室外惡劣環(huán)境的影響，將直接擴(kuò)大裂紋甚至造成開(kāi)路性破裂，使組件部分報(bào)廢。對(duì)組件質(zhì)量要求高的企業(yè)，有裂紋的電池幾乎就等于廢品，因此分析裂紋的來(lái)源非常重要。第三章第三章陷測(cè)分析通過(guò)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，多晶電池裂紋出現(xiàn)的頻率比單晶電池高，這是材料結(jié)構(gòu)的差異造成的。單晶硅是具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體，晶面取向相同，而多晶硅則是由晶面取向不同的晶粒結(jié)合起來(lái)的，內(nèi)部還存在著多種雜質(zhì)、位錯(cuò)等缺陷，結(jié)構(gòu)上相對(duì)較脆弱。國(guó)外有專(zhuān)門(mén)研究太陽(yáng)電池缺陷的小組，對(duì)多晶硅片出現(xiàn)裂紋的原因持有各種觀點(diǎn)。以下是部分與多晶硅材料有關(guān)的觀點(diǎn)。1）在多晶硅鑄錠時(shí)，若坩堝降溫速度太快，會(huì)造成硅材料出現(xiàn)比較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生[]。2）基于多晶硅內(nèi)部晶界、位錯(cuò)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，硅片一些部位會(huì)比較脆弱，經(jīng)過(guò)多次溫度劇變、循環(huán)疲勞損傷，甚至潮濕環(huán)境也容易導(dǎo)致微裂紋，并沿著結(jié)晶面延[]；3）多晶硅內(nèi)部存在晶粒與位錯(cuò)，晶面、晶向不同，內(nèi)部潛在能量有差異，因此，(1)解理面容易沿著一定結(jié)晶方向出現(xiàn)破壞性解理斷裂，(10)晶面也容易發(fā)生低能或低速的斷裂[]。（）1解面 b)0解面圖321晶解斷裂28]在生產(chǎn)工藝方面，也同樣容易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。1）對(duì)硅錠、硅棒進(jìn)行切片時(shí)，鋼線以很高的速度與硅錠進(jìn)行摩擦，鋼線產(chǎn)生的張力將容易導(dǎo)致裂紋。2）硅片、電池生產(chǎn)過(guò)程中，遇到高溫不可避免，鑄錠凝固、擴(kuò)散、燒結(jié)等過(guò)大的溫度梯度和熱應(yīng)力容易導(dǎo)致裂紋，尤其是印上鋁背場(chǎng)以后，它們的熱膨脹系數(shù)不同，容易導(dǎo)致裂紋。3）硅片之間或硅片與設(shè)備之間存在著摩擦，容易形成劃痕，也容易損傷硅片而導(dǎo)致微裂紋。中山中山學(xué)士位文4）印刷電極過(guò)程中，由于印刷機(jī)的印刷刀需要壓在網(wǎng)版和硅片上，若工作臺(tái)有硬物雜質(zhì)或印刷刀壓力過(guò)大，硅片就容易產(chǎn)生微裂紋或者加劇裂紋的延伸。5）裂紋的頻繁出現(xiàn)也跟硅片厚度越來(lái)越薄有關(guān)，研究表明[8]，薄硅片容易受到潮濕環(huán)境的影響，其表面的氧化層也容易導(dǎo)致微裂紋。厚度減薄可以減少成本，同時(shí)也增加了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求，因此可能得不償失。6）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，新設(shè)備、人手操作等不確定的外力因素特別容易引起裂紋，因此需要減少人工接觸硅片，而生產(chǎn)自動(dòng)化是減小裂紋的手段之一。7）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大部分裂紋出現(xiàn)在電池樣品的邊角，據(jù)有關(guān)研究，硅片靠邊部位屬于應(yīng)力聚集區(qū)，在生產(chǎn)工藝過(guò)程中更容易產(chǎn)生微裂紋。PrzmslwRupnowski等人對(duì)硅片機(jī)械應(yīng)力的分布進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，并分別探究硅片表面、邊緣和體內(nèi)缺陷的力量分布[]。8）硅片與電池在運(yùn)輸移動(dòng)的過(guò)程中也容易導(dǎo)致裂紋，有研究嘗試模擬運(yùn)輸振動(dòng)過(guò)[]，發(fā)現(xiàn)有損的電池約1，而性能測(cè)試不正常的達(dá)到5左右。目前企業(yè)普遍采用EL、PL、顯微鏡等作為裂紋檢測(cè)方法，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程同樣利用EL與顯微鏡作為觀測(cè)手段，如圖322所示。圖322EL對(duì)裂的測(cè)E、PL雖然簡(jiǎn)單快捷，但對(duì)于微裂紋的檢測(cè)不夠?qū)I(yè)，尤其是多晶硅片存在許多線狀位錯(cuò)，不能清楚地識(shí)別。為了更深入地研究裂紋，研究人員還利用多種技術(shù)專(zhuān)門(mén)檢測(cè)裂紋，Stuatriht等人[1]使用電子背散射衍射分析系統(tǒng)（Eletronbksctterdiftion,ESD）與取向成像電子顯微分析系統(tǒng)OienttionmaingMirosop,OM）分析多晶硅裂紋的形成與延伸傳播，發(fā)現(xiàn)裂紋與晶界角度、分布有關(guān)。第三章第三章陷測(cè)分析,Shlezinr等人[2研究對(duì)比多種硅片在線裂紋檢測(cè)技術(shù)，亮場(chǎng)透射光學(xué)系統(tǒng)rihtieldrnsmissionptis）以多種優(yōu)點(diǎn)特別受其推薦。anaM.Conno、oshioARAI、Jmaliahdis等多個(gè)小組都研究過(guò)利用SAM（SnningousticMicoscop）檢測(cè)裂紋，研究材料內(nèi)部的缺陷與裂紋孔洞的產(chǎn)生。另外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有樣品漏電區(qū)出現(xiàn)巨型凹槽，寬度與柵線同寬，內(nèi)底傾斜，深度最深處達(dá)到40μm以上，漿料已到藍(lán)色槽內(nèi)，估計(jì)凹槽在鍍反射膜前已出現(xiàn)。此凹槽槽口不規(guī)則，尾部突然消失，如圖323所示。這種凹槽可能產(chǎn)生漏電，但對(duì)性能影響很小。凹槽出現(xiàn)估計(jì)跟硅材料有關(guān)，可能外力導(dǎo)致材料內(nèi)部自身的破裂。a)電漿流到內(nèi) b槽尾部圖323凹（品1）圖324紅熱圖表312樣品1性數(shù)編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)RsΩ)RshΩ)樣品79.9117.318.4770.6224.2137.9530.538.468284.53中山中山學(xué)士位文非漏電缺陷斷柵斷柵就是柵線斷開(kāi)，柵線斷開(kāi)使電流需被更遠(yuǎn)的柵線收集，相當(dāng)于電阻增大，收集效率降低，將對(duì)性能有一定影響。樣品12最主要的問(wèn)題在于斷柵，參數(shù)顯示填充因子、電流、電壓都受到比較大的影響。圖325斷柵EL圖與顯微（品2）表313樣品12對(duì)池能的響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)樣品272.2716.085.2760.6262.3874.6350.516絲網(wǎng)印刷工藝中多種因素都可能導(dǎo)致斷柵，例如油墨刀刮條的平整度及壓力、網(wǎng)版堵塞及張力、漿料質(zhì)量問(wèn)題或粘度太高、漿料過(guò)快變干以及人工加漿失誤等，均可能導(dǎo)致斷柵，甚至虛印、缺印。對(duì)此，工藝中必須及時(shí)檢查油墨刀、網(wǎng)版等問(wèn)題，漿料使用前攪拌，使用后利用滾輪機(jī)滾動(dòng)，對(duì)工人加強(qiáng)培訓(xùn)監(jiān)督，以及及時(shí)排查機(jī)器與室內(nèi)的其它問(wèn)題。另外，若在印刷后出現(xiàn)大面積斷柵，也可通過(guò)二次印刷的手段來(lái)解決。企業(yè)通常利用E來(lái)檢測(cè)斷柵情況，往往有自身的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，一般電池?cái)鄸琶娣e低于總面積5%允許通過(guò)。斷柵是最常見(jiàn)的非漏電缺陷，即使正常電池樣品中也有斷柵的存在，性能相對(duì)正常電池稍降，但電池本身性能不會(huì)衰退，裝配成組件不會(huì)對(duì)性能有影響，因此可認(rèn)為，少量斷柵對(duì)電池基本沒(méi)有影響。第三章第三章陷測(cè)分析黑芯片黑芯片是指單晶硅片中心出現(xiàn)環(huán)狀分布的缺陷，并由內(nèi)向外逐漸減弱，通常在E、PL圖像下很容易觀察到。黑芯片屬于材料內(nèi)部缺陷，對(duì)于圖326樣品13，主要缺陷是黑芯與劃痕，由可知，劃痕對(duì)電池性能影響不大，可判定主要是黑芯片造成的性能下降，樣品的電流、功率都受到一定影響，電壓受影響不大。圖326黑片EL圖品1）表314黑片電性的影響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)缺陷型樣品376.6215.214.7620.6192.2584.3790.517黑芯、痕普遍認(rèn)為，黑芯是在直拉單晶的過(guò)程中形成的，主要是由于氧含量太高而出現(xiàn)氧沉淀，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化誘生層錯(cuò)環(huán)。另外，為了提高拉晶溫度與生長(zhǎng)速度，會(huì)帶來(lái)較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)位錯(cuò)并聚集在氧化誘生層錯(cuò)環(huán)中。氧化誘生層錯(cuò)是載流子復(fù)合中心，必然降低硅片的少子壽命，也降低電池性能。黑芯片的位錯(cuò)與層錯(cuò)是結(jié)構(gòu)性的缺陷，無(wú)法通過(guò)工藝去除，但根據(jù)其形成機(jī)理，可在拉晶時(shí)檢測(cè)避免。第一，提高硅材料的質(zhì)量，避免氧、金屬等含量過(guò)高的材料；第二，改進(jìn)拉晶爐的氣流回路結(jié)構(gòu)，使?fàn)t內(nèi)的氧有效地導(dǎo)出，減少其進(jìn)入硅體；第三，檢查晶頸長(zhǎng)是否達(dá)標(biāo)，以排出體內(nèi)位錯(cuò)。網(wǎng)帶印在E圖中，可以觀察到電池樣品上有類(lèi)似網(wǎng)帶的暗區(qū)，稱(chēng)為網(wǎng)帶印。本檢中山中山學(xué)士位文測(cè)實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)帶印比較常見(jiàn)，通常分布在電池中間部分，占電池1/2以上的面積。網(wǎng)帶印缺陷面積大，對(duì)電池影響也比較大，如圖327所示。樣品14的網(wǎng)帶印占電池面積約2/3，紅外熱像檢測(cè)也顯示樣品不漏電，但其電池性能比較低，串聯(lián)電阻較大，功率受到較大影響，填充因子下降幅度較大。（EL圖 （bPL圖圖327燒網(wǎng)紋樣品14）表315網(wǎng)印電性影響編號(hào)..)Ef.)sA)VocV)PW)pA)VpV)RsΩ)s(Ω)樣品462.6514.095.5870.6232.1814.5990.47621.67266.14通過(guò)E、PL圖對(duì)比分析，網(wǎng)帶印