王勇 虎学梅 张亚东 周剑平 乔俊强
甘肃自然能源研究所 甘肃 兰州 730046 甘肃省太阳能光伏重点实验室 甘肃 兰州 730046
摘要：近年来，随着全球科技和经济社会的高速发展，不可再生的传统矿物能源消耗量也相应的持续快速增长，煤炭、石油等传统矿物能源日益稀缺，生态环境受到严重污染。作为可再生能源之一的太阳能，不仅取之不尽用。硅晶片是一种在集成电路及光伏太阳能等行业的应用非常广泛的材料，而隐形缺陷是影响太阳能电池用硅晶片质量的重要因素之一。文章主要就太阳能电池用硅晶片隐形缺陷检测技术展开分析。
关键词：太阳能电池；硅晶片隐形缺陷；检测技术
太阳能光伏能源是洁净、可再生的新能源，它具有其他常规能源所不具备的清洁性、稳定性、丰富性、长寿命以及易于维护等优点，被看成是21世纪最重要的新能源，光伏发电将在解决人类能源危机和环境污染问题上起到主要作用。太阳能光伏发电具有无污染、资源的普遍性和不枯竭等优点，符合保护环境和可持续发展的要求。近年来，以硅晶片为主要材料的光伏产业进入快速发展期，并逐步形成了一个包括单晶硅多晶硅材料、硅晶片、太阳电池组件生产封装检测和光伏系统集成应用为主体的光伏产业链。
1太阳电池的结构及工作原理
晶体硅太阳能电池上表面被一层减反射膜均匀镀于其上。负电极位于减反膜下面，两条平行的较粗的主电极在最上面，主电极的下面是与其垂直的无数互相平行的细小栅电极，栅电极都与主电极相连，形成负电极，上表面的电极制作成栅状是为了最大面积的收集电荷且让更多的辐射光通过。当发射光照射在电池上表层时，光子透过减反射膜进入硅材料中，如果光子的能量大于硅禁带宽度则可以在N区、PN结区和P区中激发出光生电子空穴对，各区中的光生载流子在复合前如果能穿过耗尽区，就能对电池输出功率产生作用。经过以上过程会在N区聚集光生电子，同时在P区聚集光生空穴，在PN结的两侧形成了正负电荷的聚集，形成内部电场进而产生光生伏特效应。当电池两极接上负载后，电流就从P区经负载流至N区，只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过，电池给负载供电从而输出功率。
2太阳能电池用硅晶片隐形缺陷检测技术
2.1检测软件的设计
根据检测系统的需求，软件系统应用VisualC++软件开发平台中的单文档应用程序框架，应用程序框架中的视图类实现EL图像的显示与存储，应用加入新的对话框类来扩展软件的功能。对于EL图像采集系统来说，系统数据采集的实现性要求较低，系统参数设置及图像的采集等操作均可以在对话框类中进行，可以实现良好的人机操作界面。软件系统主要分为三大模块:仪器初始化参数设置、EL图像的采集及EL图像的处理显示与存储。
2.2检测数据验证实验研究
在EL检测过程中，是否对电池片造成损伤，是评价系统参数设置是否合理的依据。电池片损伤，将会使电池片光电转换效率降低，从而降低产品性能。检测
电池片光电转换效率是通过测试电池片的伏安特性间接的获得。通过观察不同类型电池片的效率变化与电池片中所存在缺陷之间的关系，以进一步确认电池片中缺陷的存在，同时可以观察缺陷存在对电池片电性能的影响。将其测试结果与无明显缺陷的硅晶片作比较，以验证EL成像检测结果的可靠性及准确性，表1为试验片的电性能测试结果。从上述测试结果可以看出，隐性裂痕、材料污染、断栅等缺陷对太阳电池有不同程度的影响，与无明显缺陷的对比电池片相比较，缺陷电池的Isc、Ｒp、FF、均有所下降，而Ｒs都相应增加，对开路电压的影响较小。
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由于隐性裂痕的存在使得太阳电池片1的串联电阻增大，太阳电池的正向伏安特性会受到串联电阻变化的影响，导致短路电流下降明显;电池片1的填充因子和光电转换效率将会下降明显，是因为其串联电阻的增大和并联电阻的减小所造成的。电池片2主要存在材料污染等缺陷，这是导致其效率大大降低的主要原因。太阳能电池3的电性能数据均无法正常测量，验证了EL图像得到该电池断栅的准确性。上述实验数据说明存在隐形缺陷的EL图像与试验片电性能数据之间具有很好的同一性。间接验证了所开发的硅晶片隐形缺陷检测系统对于硅晶片隐形缺陷检测准确性高。
2.3硅晶片串并联测试实验
对硅晶片隐型缺陷进行检测除可以对硅晶片进行检测，还可以对以硅晶片为单元进行串并联的电池组件进行质量检测，图6为串12并6电池组件实物照片。检测装置可以对两个或两个以上硅晶片单片串并组合联接的电池片进行EL检测，或对整个太阳能电池组件进行EL检测，图7为应用检测系统开发的成像系统拍摄的(串12并6)组件EL图像。实验的主要目的是掌握各种组合联接形式下，进行EL检测的正向偏置电压值及电流值，表2为试验数据。经过实验可以看出，硅晶片串并联时的电压值及电流值没有严格的比例关系，也就是不能将单个硅晶片看成阻值相等的固定电阻来估计它们所加正向偏置电压与电流之间的关系。同时与单个电池片相类似，材料污染对正向偏置电压及电流之间的关系影响较大。由于EL检测过程中的电流是自适应平衡结果，应用上述研究结果，将加载的正向偏置电压所产生的电流处于5.0～5.5A，实现电池组的无损伤检测。
总之，通过实验分析了单个硅晶片进行基于EL图像的隐型缺陷检测系统的正向偏置电压参数、成像系统参数，获取了清晰的EL图像，并将含有缺陷的硅晶片的I－V曲线数据进行对比分析，验证了所开发检测系统的准确性和可靠性，同时进行了不同串并联接方式的硅晶片EL检测实验，说明所开发的EL成像系统也可以用于对硅晶片太阳能组件隐型缺陷进行检测。实验结果同时说明了所开发的硅晶片隐形缺陷检测方法是一种经济可行的电池组件隐形缺陷检测技术，可以用:于大型太阳能组件的隐形缺陷检测。
参考文献
[1]尹媛,郭振东,陈高远,张慧峰,尹万健.卤化钙钛矿太阳能电池的缺陷容忍及缺陷钝化研究进展(英文)[J/OL].物理化学学报2020:1-10
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[3]臧子豪,李晗升,姜显园,宁志军.锡钙钛矿太阳能电池的进展与展望[J/OL].物理化学学报:2020：1-13
[基金项目：甘肃省科技计划资助（18ZD2WA007）；甘肃自然能源研究所科技计划资助（2018YF-04, 2019QN-02）；甘肃省科学院科技计划资助（2013JK-09）。
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