光致发光技术在检测晶体Si太阳电池缺陷的应用

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引言
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. R. Q: a! _5 `% }8 ?$ X8 y     近年来，光伏产业发展迅猛，提高效率和降低成本成为整个行业的目标。在晶体Si太阳电池的薄片化发展过程中，出现了许多严重的问题，如碎片、电池片隐裂、表面污染、电极不良等，正是这些缺陷限制了电池的光电转化效率和使用寿命。同时，由于没有完善的行业标准，Si片原材料质量也是参差不齐，一些缺陷片的存在直接影响到组件乃至光伏系统的稳定性。因此，太阳能行业需要有快速有效和准确的定位检验方法来检验生产环节可能出现的问题。
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     发光成像方法为太阳电池缺陷检测提供了一种非常好的解决方案，这种检测技术使用方便，类似透视的二维化面检测。本文讨论的是光致发光技术在检测晶体Si太阳电池上的应用。光致发光(photoluminescence，PL)检测过程大致包括激光被样品吸收、能量传递、光发射及CCD成像四个阶段。通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，Si片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出以1150 nm的红外光为波峰的荧光。利用冷却的照相机镜头进行感光，将图像通过计算机显示出来。发光的强度与本位置的非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断Si片或电池片是否存在缺陷。
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' x1 {, P; ]8 s" ~& J     1 实验

: m4 u' J  x9 m3 H     实验选取大量低效率电池进行研究，现举典型PL图像进行分析说明。电池所用Si片为125 mm×125 mm，厚度(200±10)μm，晶向<100>，p型CZ太阳能级Si片。PL测试仪器的基本结构如图1，激光源波长为808 nm，激光装置中带有均化光器件，使光束在测量的整个区域均匀发光。由于载流子的注入，Si片或电池片中会产生电流使其发出荧光，在波长为1 150 nm时的红外光最为显著，所以选用了适当的滤光片和摄像头组合，使波长在1 150 nm附近的荧光得以最大的通过。冷却的摄像头(-50℃)在室温暗室中可以感光并生成512×512像素的图像，曝光时间为1 s。整个实验装置由微机程序控制。虽然PL可以直接测量Si片，但为了实验的对比性，本文均采用对电池的测量图像作对比。
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3 |. r7 \7 ]; L+ T5 t9 P图1 PL测试原理图
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! u. [7 W0 P* b/ Z. @6 O     2  结果与分析

     2.1  原材料原因

+ e* F: \+ P5 K4 ]% g7 |     单晶Si由于本身内部长程有序的晶格结构，其电池效率明显高于多晶Si电池，是Si基高效太阳电池的首选材料。然而，单晶Si内部杂质和晶体缺陷的存在会影响太阳电池的效率，比如：B-O复合体的存在会导致单晶电池的光致衰减；内部金属杂质和晶体缺陷(位错等)的存在会成为少数载流子的复合中心，影响其少子寿命。图2为高效率电池光致发光图像，发现除电池栅线外图像灰度均匀。


图2  高效率单晶Si太阳电池的PL图像
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- g5 _( ^0 f+ u2 Z! h$ ^     图3为Si片原材料存在严重缺陷的电池PL图片，分别俗称“黑边”和“黑心”片，PL图像中的黑心和黑边是反映在光照条件下该部分发出的1 150 nm的红外光强度较其他部分弱，说明该处有影响电子和空穴的辐射复合的因素存在。对于直拉单晶Si，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。在图3(b)中甚至可以很清楚地看到旋涡缺陷，旋涡缺陷是点缺陷的*，产生于晶体生长时，微观生长速率受热起伏而产生的周期性变化造成杂质有效分凝系数起伏造成的。旋涡缺陷典型位错密度为106～107cm-3，远高于太阳能级单晶Si片所要求的缺陷密度(小于3 000 cm-3)。
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（a）“黑边”片电池的PL图像

（b）“黑心”片电池的PL图像
图3  原材料异常
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     原材料缺陷势必导致Si衬底非平衡少数载流子浓度降低，造成扩散结面不平整，p-n结反向电流变大，从而影响太阳电池效率。

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