太阳能组件EL测试原理

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1EL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2EL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。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fluke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14μm，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CCD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）技术，以后再作相应介绍。参考文献：【1】Y.Takahashi,Y.Kaji,A.Ogane,Y.UraokaandT.Fuyuki,-Luminoscopy-NovelToolfortheDiagnosisofCrystallineSiliconsolarcellsandModulesUtilizingElectroluminescence,IEEE,2006,pp.924-927【2】TakashiFuyuki,YasueKaji,AkiyoshiOgane,andYuTakahashi,ANALTICFINDINGSINTHEPHOTOGRAPHICCHARACTERIZATIONOFCRYSTALLINESILICONSOLARCELLSUSINGELECTROLUMINESCENCE,IEEE,2006,pp.905-907【3】M.Kasemann,W.Kwapil,B.Walter.“PROGRESSINSILICONSOLARCELLCHARACTERIZATIONWITHINFRAREDIMAGINGMETHODS”,23rdEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConferenceandExhibition,2008