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     引言

     近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，提高效率和降低成本成為整個(gè)行業(yè)的目標(biāo)。在晶體Si太陽(yáng)電池的薄片化發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了許多嚴(yán)重的問(wèn)題，如碎片、電池片隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時(shí)，由于沒(méi)有完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Si片原材料質(zhì)量也是參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，太陽(yáng)能行業(yè)需要有快速有效和準(zhǔn)確的定位檢驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

     發(fā)光成像方法為太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)提供了一種非常好的解決方案，這種檢測(cè)技術(shù)使用方便，類(lèi)似透視的二維化面檢測(cè)。本文討論的是光致發(fā)光技術(shù)在檢測(cè)晶體Si太陽(yáng)電池上的應(yīng)用。光致發(fā)光(photoluminescence，PL)檢測(cè)過(guò)程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發(fā)射及CCD成像四個(gè)階段。通常利用激光作為激發(fā)光源，提供一定能量的光子，Si片中處于基態(tài)的電子在吸收這些光子后而進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)回到基態(tài)，并發(fā)出以1150 nm的紅外光為波峰的熒光。利用冷卻的照相機(jī)鏡頭進(jìn)行感光，將圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)。發(fā)光的強(qiáng)度與本位置的非平衡少數(shù)載流子的密度成正比，而缺陷處會(huì)成為少數(shù)載流子的強(qiáng)復(fù)合中心，因此該區(qū)域的少數(shù)載流子密度變小導(dǎo)致熒光效應(yīng)減弱，在圖像上表現(xiàn)出來(lái)就成為暗色的點(diǎn)、線，或一定的區(qū)域，而在電池片內(nèi)復(fù)合較少的區(qū)域則表現(xiàn)為比較亮的區(qū)域。因此，通過(guò)觀察光致發(fā)光成像能夠判斷Si片或電池片是否存在缺陷。

     1 實(shí)驗(yàn)

     實(shí)驗(yàn)選取大量低效率電池進(jìn)行研究，現(xiàn)舉典型PL圖像進(jìn)行分析說(shuō)明。電池所用Si片為125 mm×125 mm，厚度(200±10)μm，晶向<100>，p型CZ太陽(yáng)能級(jí)Si片。PL測(cè)試儀器的基本結(jié)構(gòu)如圖1，激光源波長(zhǎng)為808 nm，激光裝置中帶有均化光器件，使光束在測(cè)量的整個(gè)區(qū)域均勻發(fā)光。由于載流子的注入，Si片或電池片中會(huì)產(chǎn)生電流使其發(fā)出熒光，在波長(zhǎng)為1 150 nm時(shí)的紅外光最為顯著，所以選用了適當(dāng)?shù)臑V光片和攝像頭組合，使波長(zhǎng)在1 150 nm附近的熒光得以最大的通過(guò)。冷卻的攝像頭(-50℃)在室溫暗室中可以感光并生成512×512像素的圖像，曝光時(shí)間為1 s。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由微機(jī)程序控制。雖然PL可以直接測(cè)量Si片，但為了實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，本文均采用對(duì)電池的測(cè)量圖像作對(duì)比。

     2  結(jié)果與分析

     2.1  原材料原因

     單晶Si由于本身內(nèi)部長(zhǎng)程有序的晶格結(jié)構(gòu)，其電池效率明顯高于多晶Si電池，是Si基高效太陽(yáng)電池的首選材料。然而，單晶Si內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會(huì)影響太陽(yáng)電池的效率，比如：B-O復(fù)合體的存在會(huì)導(dǎo)致單晶電池的光致衰減；內(nèi)部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷(位錯(cuò)等)的存在會(huì)成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，影響其少子壽命。圖2為高效率電池光致發(fā)光圖像，發(fā)現(xiàn)除電池柵線外圖像灰度均勻。[NextPage]

     圖3為Si片原材料存在嚴(yán)重缺陷的電池PL圖片，分別俗稱(chēng)“黑邊”和“黑心”片，PL圖像中的黑心和黑邊是反映在光照條件下該部分發(fā)出的1 150 nm的紅外光強(qiáng)度較其他部分弱，說(shuō)明該處有影響電子和空穴的輻射復(fù)合的因素存在。對(duì)于直拉單晶Si，拉棒系統(tǒng)中的熱量傳輸過(guò)程對(duì)晶體缺陷的形成與生長(zhǎng)起著決定性的作用。提高晶體的溫度梯度，能提高晶體的生長(zhǎng)速率，但過(guò)大的熱應(yīng)力極易產(chǎn)生位錯(cuò)。在圖3(b)中甚至可以很清楚地看到旋渦缺陷，旋渦缺陷是點(diǎn)缺陷的*，產(chǎn)生于晶體生長(zhǎng)時(shí)，微觀生長(zhǎng)速率受熱起伏而產(chǎn)生的周期性變化造成雜質(zhì)有效分凝系數(shù)起伏造成的。旋渦缺陷典型位錯(cuò)密度為106～107cm-3，遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能級(jí)單晶Si片所要求的缺陷密度(小于3 000 cm-3)。

     原材料缺陷勢(shì)必導(dǎo)致Si襯底非平衡少數(shù)載流子濃度降低，造成擴(kuò)散結(jié)面不平整，p-n結(jié)反向電流變大，從而影響太陽(yáng)電池效率。