-晶体硅太阳能电池的缺陷检测及分析

第12届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）

晶体硅太阳能电池的缺陷检测及分析

李召彬李召彬 王祺王祺 丁娈丁娈 季亦菲

（中电电气（南京）光伏有限公司 211100）

摘要：针对晶体硅太阳电池缺陷的检测问题，利用多种测试设备（EL 、PL 、Corescan

等），在电池制作的主要工序段（扩散、镀膜、印刷、烧结）对硅片和电池片进行检测，归纳和总结了电池的各种典型缺陷的成因，利用这些检测手段和分析结果，能够及时有效地反馈生产过程中产生的缺陷类型，有利于生产工艺的改进和质量的控制。

关键词：晶体硅太阳电池 缺陷 检测 分析

1、引言

在大规模应用和工业生产中,晶硅太阳能电池占主导地位，其在制造过程中通常采用制绒、扩散、刻蚀、PECVD 、印刷、烧结几道工序，由于一些机械应力、热应力及人为等不稳定因素的存在，会不可避免的造成硅片的一些隐性缺陷如污染、裂纹、扩散不均匀等，这类缺陷的存在大大降低了电池片的光电转换效率，导致公司增加经济损失。利用多种测试设备如EL 、PL 、corescan 等检测硅片、半成品电池及成品电池存在的各种隐形缺陷，改善工艺参数，降低产品的不合格率，为公司提高成品率，大大的降低成本。

2、检测设备检测设备工作原理工作原理

2.1 光致发光光致发光（（PL ）

PL 是检测原材料的有效方法，如Fig.2-1所示，以大于半导体硅片禁带宽度的光作为激发手段，激发硅中的载流子，当撤去光源后，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，这一过程中会释放波长为

1100nm 的光子，光子被灵敏的CCD 相机捕获，得到硅片的辐射复合图像[1]。

Fig.2-1 光致发光

2.2 电致发光电致发光（（EL ）

EL 与PL 工作原理相似，但不同之处在于激发非平衡载流子的方式不同，即在电池的正向偏压下，注入非平衡载流子（Fig.2-2）。

Fig.2-2 电致发光

2.3 微波光电导衰微波光电导衰减减法（u-PCD ）

u-PCD 主要包括904nm 的激光注入产生电子-空穴对（Fig.2-3a ），导致样品的电导率

增加，当撤去外界光注入时（Fig.2-3b），电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反应少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势得到载流子的寿命。

Fig.2-3a 激光激发

Fig.2-3b 微波探测

2.4 方块电阻扫描

方块电阻扫描（（SHR）

SHR测试探头在中心有一个激光源（Fig.2-4），紧跟着有两个同心圆环形电容电极，激光的频率可以调整。激光注入产生电子空穴，内建电场将电子空穴分离，将产生表面势，表面势反映了SHR信号并且向横向扩散，内外探头获取表面势。硅片的方阻通过在两个电容电极测量电势的比率计算。

Fig.2-4 SHR 2.5 串联电阻扫描

串联电阻扫描（（Corescan）

Corescan的扫描头包含一个光源和金属探针（Fig.2-5），扫描过程中，将电池片短路连接,扫描头以固定的扫描间距、速度移动，光源照射在电池片上产生光生电流，同时金属探针在电池片表面划动，测量光照位置的电压值，电压值即表征了电池片正面的串联电阻的大小。

Fig.2-5 Corescan

3、结果及

结果及讨论

讨论

3.1 原材料

原材料缺陷

缺陷

原材料的优劣影响电池片的光电转换效率，有效的检测原材料的优劣，降低原材料的不合格率，能够直接减少经济损失。Fig.3-1所示为“黑芯片”的PL图片，在光照条件下，黑色区域存在大量的缺陷，它们起到复合中心作用，使得载流子在此处复合时发出较弱的光，而温场不均匀造成的位错或杂质氧沉淀导致黑芯片的产生，其电池片的电性能一般显示为Irev、Rs略高、Rsh较正常，Voc 稍低，只是Isc明显偏小。

Fig.3-1黑芯片

Fig.3-2a为“四角黑”电池片的EL图片，腐蚀掉正背面电极、氮化硅、PN结后测试其

少子寿命，如Fig.3-2c 所示，从图中可看出，电池片黑角区域的寿命相对正常区域严重偏低，说明此处存在大量的缺陷，可能原因是硅棒在拉制过程中，外层有污染或有晶体缺陷产生，而导致硅材料的性能下降。一般电池片的电性能显示为Voc 稍低，Isc 明显偏小，其余性能参数较正常。

a

b

c d Fig.3-2 四角黑

从附表1的IV 数据可以看出，整体暗电池片的Voc 比正常片低了12 mv ，通过Fig.3-3的EL 图像（同一亮度）可以明显看出两片电池片的差异。腐蚀两片电池片的氮化硅薄膜、正背面电极、电场及PN 结后测得整体暗的电池片平均寿命为8.76 us ，而正常片的平均寿命为11.45 us （Fig.3-3c 、d ），原材料中含有过多的杂质导致复合增加是造成Voc 偏低的主要原因。

a 、EL(整体暗)

b 、EL(正常片)

c 、u-PCD(整体暗)

d 、u-PCD(正常片)

Fig.3-3 整体暗

3.2 工艺诱生缺陷--滑移滑移位错位错

当温度在大约900 ℃以上时，硅晶体的屈服极限降低，晶体中位错有可能发生运动而引起塑性形变。扩散、热氧化等过程都是

在900-1200 ℃范围内进行，硅片在加热或冷却过程中，由于各处受热或冷却不均匀而产生温度梯度，热膨胀情况各处不同，继而产生热应力。当晶体中的热应力超过其弹性极限时，产生位错，位错通过位错源发生增殖，最终产生滑移线。位错源包括：a 、晶体表面

的机械损伤和微裂纹；b 、杂质或O-Si 的原子集团，旋涡带；c 、掺杂剂的局部聚集等。一般而言，热应力在硅片的边缘比较大，因此边缘的滑移位错比较明显，然后向中心蔓延，严重时可以出现星形结构[2]如Fig.3-4a, Fig.3-4b 为出现星形结构硅片的u-PCD 扫描结果，Fig.3-4c 、d 为生产过程中出现滑移线的电池片EL 图像。降低温度梯度减少热应力的产生是降低滑移位错产生的有效方法之一。

a b