光致发光（PL）检测技术在太阳电池生产过程中的应用

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 曾 光 薛永胜 刘小宇

1 背景

太阳电池的质量直接决定了光伏发电系统的效率及使用寿命。

近年来，光伏产业发展迅猛，光伏生产企业遍地开花。有限的市场需求造成了企业之间竞争激烈，提高效率和降低成本成为整个行业的共同目标。

在晶体硅太阳电池的薄片化发展过程中，出现了许多严重的质量问题，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，硅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。

对于生产企业来讲，把好原材料质量关、控制产品质量、提高成品率、避免生产过程中的浪费是降低生产成本、提高竞争力的有效手段。

光致发光检测技术可以在极短时间确定硅片缺陷状况及其分布，非常适合应用到硅片质量控制、电池片生产工艺分析中。研发光致发光检测设备，并应用于晶体硅材料及生产过程中，对提高产品质量、降低生产成本具有非常重要的实际意义。

2 发展现状

在物理材料研究领域，光致发光技术（P L）的应用已有一定基础，应用于半导体材料进行无损测量的光谱测定方法，能够快速、无损的分析材料的结构、成分与品质。但其存在测试范围小（微米级别），环境要求高（探测器需零下50℃制冷），在光伏晶体硅材料及太阳电池（均属于大面积光伏器件）测试领域一直未能应用。近几年来，伴随着激光技术和电子成像技术的发展，光致发光技术在光伏领域的测试有了突破性进展。

国外在此领域的研究起步于2005年，现已掌握核心技术。未来将在此仪器的分析应用上进一步发展。光伏晶硅材料、太阳电池工艺过程片及成品检测技术的专利拥有者是澳大利亚新南威尔士大学，该大学不仅掌握了核心技术，而且与BT Image公司合作进入了实际应用阶段。

之前，受国外技术垄断影响，国内在光致发光设备领域基本空白，因此无法将此技术投入到应用领域。随着技术实力的增强，上海太阳能工程技术研究中心等企业在光致发光检测设备的研发上有了重大的突破。国产PL检测设备已经面向市场，一些先行的电池片生产企业已经率先将光致发光检测技术应用到产品质量控制中。

图1 检测原理示意图

3 光致发光检测技术概述

3.1 光致发光检测原理：

光致发光的原理是利用光源激发硅片或太阳电池片，使硅片或硅太阳电池片发出特定波长的光，然后通过滤光以及特殊感光元件采集特定波长的发光信号，最后经过数据处理得出太阳电池片表面的缺陷。可用于检测硅片、电池过程片、电池片的隐裂、碎片、材料缺陷、结晶缺陷、硅片污染等缺陷（参见图1）。

3.2 技术特点：

作为一种新型的检测手段，光致发光检测技术有许多领先的技术特点：

○测试速度快：0.2秒/片，可在线式全检设计；

○非接触式：无需探针等机械接触；

○适用范围广：硅碇、硅片、电池过程片、电池片；

○检测缺陷种类多：隐裂、碎片、材料缺陷、结晶缺陷、金属污染；

这些特点是其受到太阳电池检测行业青睐的根本原因。

3.3 技术优势：

目前，太阳电池生产行业较为主流的缺陷检测手段为电致发光（EL）检测，其检测速度较慢，只能进行样品抽检，碎片率高，很难满足在线全检的需要。相比于EL检测，光致发光（PL）有着无法比拟的技术优势，详见表1。

4 应用范围

光致发光检测技术可以在极短时间确定硅片缺陷状况及其分布，非常适用于硅片质量控制、电池片生产工艺分析中。研发光致发光检测设备，并应用于晶体硅材料及生产过程中，对提高产品质量、降低生产成本具有非常重要的实际意义。

表1 EL与PL技术对比

4.1 硅片原材料缺陷检测

由于硅片存在隐裂、表面污染等缺陷，在硅片交易过程中，缺少可靠的仪器和手段对货物进行质量检测，就会使这些缺陷硅片流入生产线，对产品的平均效率产生巨大的影响。电池片生产线的生产节拍快，普通的检测方法不能够对过程片进行全检，只能对成品电池片进行功率的分选，致使企业被动的接受而无法减少和避免原材料及工艺缺陷带来的损失。

硅片原材料缺陷检测为硅片缺陷检测提供有效的测试手段，有助于规范硅片交易市场，提升太阳电池原材料输入质量水平。

现行硅片来料检测仅局限于几何尺寸、方块电阻的检测，虽然能够实现全检，但不能检测出硅片内部缺陷的分布以及程度。这些内部缺陷是现行技术无法检测出来的，少子寿命测试仪虽然能够间接地通过少子寿命推算出缺陷程度，但只能测试几个代表点，如中心和四个角，不能反映硅片整体的缺陷信息，如果要对硅片进行全面的缺陷扫描，测试时间需要5-10分钟，不能满足生产需求。

光致发光检测技术的应用实现了硅片缺陷全检，可以快速地反映硅片整体缺陷信息，如隐裂、漩涡、边角发黑、位错等。

光致发光检测技术在硅片原材料缺陷检测中广泛应用，势必会为硅片交易市场带来一场变革，有效的约束了硅片的质量，进而有助于硅片市场相关标准的形成。

4.2 电池片生产过程质量控制

光致发光检测仪器为太阳电池工艺过程片分析提供有效分析手段，有助于关键工艺质量控制和工艺改进，同时也为在线式缺陷控制提供技术可行性。可检测的工艺涵盖了清洗、制绒、扩散、PECVD、刻蚀、丝网印刷、烧结、分档等各个环节。

光致发光检测仪器为缺陷定量分析提供技术基础。光致发光技术可以定量分析晶硅少子寿命，直观的表现出不同类型的缺陷对少子寿命的影响，通过光致发光检测设备，研究P L图谱与少子寿命、扩散长度、旁路节电阻、串联电阻等参数之间的关系，对缺陷类型及分布对电池片效率造成的影响进行分析，可以建立一个缺陷量化分析的科学依据。对进一步改进电池片生产工艺、提高电池片效率具有指导意义。

光致发光检测设备在电池片生产制备过程中的应用，有利于光伏技术科学研究的跳跃式发展。

4.3 科研应用前景

随着此光致发光检测技术的不断推广，国内相关研究机构将重点关注其在科研领域的应用。此技术可应用于进行材料提纯、掺杂浓度、杂质能级分布、杂质能级激发复合机理方面的研究。为新型材料的开发和制备提供检测依据。

5 小结

光致发光检测技术作为一种新型的快速无损检测手段，可以广泛地应用到太阳电池硅材料检测以及太阳电池生产制备过程中的质量控制与新产品研发领域。该技术在国内获得突破后，已经有部分企业将其纳入了生产工艺的重要一环，并大大提高了其产品的效率和寿命。随着该技术的更广泛应用，将有利于硅片质量标准的制订以及光伏技术科学研究的跳跃式发展。