全自动光伏组件缺陷测试设备的设计

何纪发，赖其涛

(绍兴宏邦电子科技有限公司，浙江绍兴 312000)

目前超过90%的工业化太阳能电池组件采用丝网印刷、高温烧结、互联、层压封装等生产工艺。丝网印刷的机械应力、高温烧结的热应力、焊接的热应力、层压封装的机械应力等都会造成组件的工艺缺陷。据估计，每条组件生产线每年由于缺陷带来的直接经济损失约为60万美元。因此，有效的缺陷检测手段和设备对提高工艺质量非常重要。

太阳能电池组件隐陷测试是用于监测和研究太阳能电池生产过程中各种缺陷的专用测试仪器。太阳电池的电致发光亮度正比于少子扩散长度，因此太阳电池电致发光图像直观地展现出了太阳电池扩散长度的分布特征。通过对图像的分析，我们可以有效地发现太阳能电池组件在丝网印刷、高温烧结、互联层压及搬运等各个环节可能存在的问题。这对改进工艺、提高效率和稳定生产都有重要的作用，因而太阳电池电致发光检测仪被认为是太阳电池生产线的“眼睛”。本文介绍的测试仪可测量隐裂片、破片（明裂片）、暗片（混档片）、黑芯片、断栅、短路、过刻、污染、低效片、正负极接反等缺陷。

1 电致发光原理

同半导体中的电子可以吸收一定能量光子而被激发一样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光子辐射的形式释放出能量。即电子可从高能级向低能级跃迁，并伴随着发射光子的现象。太阳电池本质上是以半导体为基底材料制成的大面积p 一11 结，在其处于平衡状态时，内部存在一定的势垒区。如加正向偏压，势垒便降低，势垒区内建电场也相应减弱。这样原来的载流子平衡被打破，继而发生载流子的扩散，即电子由n 区注入p 区，同时空穴由p 区注入到I"1 区。这些进入p 区的电子和进入g 区的空穴都是非平衡少数载流子，遇到原区域的多数载流子会复合发光。这就是半导体电致发光(EL)现象，又称场致发光。

在太阳电池中，少子的扩散长度一般远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时囚复合而消失的几率很小，它们绝大部分都继续向扩散区扩散。因此在正向偏压下，p-n 结势垒区和扩散区被注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合发出光子。

2 测试设备的结构及测试流程

测试设备由全封闭的暗室、自动传输机构、自动定位探针台、高分辨率红外相机、电源系统、计算机图像处理单元机人机交互单元组成，具体结构见图1。

测试流程：开始→软件初始化→开启传动机构进料→自动探针台定位→开恒流恒压源→EL测试→测试完毕→自动分档→放下探针→开启传动机构出料。

3 几种典型的组件缺陷分析

图1 测试设备的结构图

在生产过程中，太阳电池组件需历经电池检测、正面焊接、背面串接、敷设、层压、去毛边、装框、焊接线盒、组件测试等关键工艺。在此过程中产生了种种影响组件发电效率、使用寿命及可靠性的缺陷，下面一一给出检测效果并做简单分析。

3.1 单晶和多晶隐裂片

隐裂缺陷主要由组件层压和固化工艺过程引起，焊锡、串联等工艺及硅片的弯曲和扭曲都会造成电池片的裂纹（见图2、图3）。

图2 单晶隐裂片

图3 多晶隐裂片

单晶隐裂片的特点：（1）裂纹多为直线状；（2）多从倒角、崩边、V型缺角处开始。

多晶隐裂片的特点：（1）裂纹多为叶脉交织状；（2）起始位置不确定，但多从重点受力处开始。

3.2 破片

破片缺陷主要由于搬运、层压及测试灯环节引起的硅片破裂，破裂导致电池组件功率直接损失甚至报废（见图4、图5）。

图4 单晶破片

图5 多晶破片

破片的特点：电池片有肉眼可视裂纹。

3.3 暗片

暗片缺陷降低组件整体功率，I-V曲线有台阶可能导致热板效应，造成热击穿影响组件（系统）安全（见图6）。

图6 暗片缺陷

暗片的特点：组件EL 图像中有明显的明暗亮度。

3.4 断栅

断栅缺陷可能是丝网印刷参数没调好或丝网印刷质量不佳，也可能是硅片切割不均匀，在30 μm 尺度可能出现断层现象（见图7）。

图7 断栅

断栅的特点：电池细栅线处有条带状暗黑色条纹。

3.5 短路

短路缺陷可能是在焊锡、串联过程中由于工艺问题导致正负极直接相连，也可能是在层压等环节带入的杂物导致正负极相连（见图8）。

图8 短路

短路缺陷电池片的特点：整片发黑。

3.6 污染

污染缺陷可能是太阳能电池组件在生产过程中由于工艺问题或者是工艺夹具问题导致太阳能电池片产生污染（见图9）。

图9 污染

污染缺陷的特点：有整片的不规则黑色区域，与烧结缺陷比较类似，所以在实际生产中应该加以区别。

4 设备技术参数

组件类型：多晶和单晶；

最大可测组件尺寸：2000 mm×1000 mm；

可测组件类型：隐裂、污染、烧结缺陷（波浪网纹）、材料缺陷、断栅、低效；

曝光时间：0.1～25.5 s；

像素：1 000万；

系统最大测试速度：300 片/h。

电源：220 V(AC),10 A,单相，最大功率600 W

传输速度：11.5 m/s

环境(温度和湿度) ：10～30℃，20%～70%

5 结论

利用电致发光原理对多晶硅太阳电池片做了近红外成像实验，并对各种缺陷的电池组件进行了试验，归纳了各种缺陷的特点，验证了设备对各种缺陷的可识别性。并且本设备采用了全自动传输和测试机构，提高了测试效率。

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