晶体硅太阳电池漏电检测与修复

李　路，孙肖林,王　芳，王建波

(1.三江学院电子信息工程学院，江苏南京210012；2.中电电气(南京)光伏有限公司，江苏南京210012)

晶体硅太阳电池漏电检测与修复

李路1，孙肖林1,王芳1，王建波2

(1.三江学院电子信息工程学院，江苏南京210012；2.中电电气(南京)光伏有限公司，江苏南京210012)

通过红外热成像无损检测技术拍摄晶体硅太阳电池表面的热分布图，来确定电池漏电的位置。结合金相显微镜、扫描电子显微镜等分析仪器发现一种新的漏电类型，由多晶硅太阳电池表面附着密集的腐蚀坑所引起的漏电，该漏电成因异于电池片表面的刮伤。采用波长为1 064和532 nm的激光器作为修复漏电电池片的工具，从隔离槽的绝缘性和切断电池片的PN结所需要的槽深作为研究内容，实验了三种不同的修复方案，通过测试并对比修复前后电池片的电性能参数来探索激光器修复漏电所需要的工艺。实验结果表明：当激光束第二次经过槽内时，可以使槽内残留的硅和金属颗粒完全气化，增加了槽的绝缘性，修复效果优于一次刻槽。为使漏电电池片得到有效的修复，激光刻槽的深度需在30 μm以上，而非理论上的几个微米。

硅太阳电池；激光修复；热红外成像；旁路结

太阳电池漏电也叫旁路结，指除了太阳电池PN结中扩散电流之外的其他线性和非线性暗电流[1]。O.Breitenstein等[2]从晶体硅太阳电池的原材料和制造工艺的角度把漏电分为以下几种：硅材料中晶格的缺陷，熔铸多晶硅时吸附了SiN微粒，多晶硅晶界处的石墨键的引入，铝颗粒污染电池正面，电池边缘旁路，划痕，裂纹，烧结温度过高产生肖特基电阻。测试与对比正常电池与漏电电池的伏安特性曲线可以得出，旁路结的存在使得电池的填充因子和转换效率降低，串联电阻增大，并联电阻减小。含有漏电缺陷的组件在使用过程中如果遇到遮蔽阴影情况下，组件漏电的部位将会消耗整体发电能而产生大量的热量。在这个过程中，组件的封装材料EVA会被分解成CO和CO2气体。由于气体被TPT和钢化玻璃密封，当气体压力大于TPT与未燃烧EVA的粘接力时，在发热点处的TPT或玻璃会被爆穿，严重影响组件的使用寿命。所以如何解决晶体硅太阳电池的漏电问题显得十分必要。通常质量差的电池片会被整体废弃，造成极大的浪费。也有将其经过化学腐蚀后重新开始用于制作新的电池，但是对其很难进行手工操作和丝网印刷，且处理成本较高。针对以上问题，我们提出了漏电检测与修复防患于未然。

1　实验

1.1晶体硅太阳电池漏电的检测

晶体硅太阳电池漏电检测的关键是漏电部位的准确定位，相关定位方法的报道已经很多。如利用胆甾相液晶的旋光性原理，制成漏电检测仪器，当温度变化时，选择反射光的颜色就会改变，可以分辨出0.5℃的温度变化[3-4]。另外还有红外锁像技术(Lock-in thermography,ILIT)、电致发光(Electroluminescence,EL)和光致发光(Photoluminescence,PL)等漏电定位技术。ILIT通过周期性的外部激励和热像图采集，提取电池表面温度周期性变化的振幅和相位信息，从而大大减少热扩散影响，可以精准锁定漏电位置和面积大小。电致发光(EL)和光致发光(PL)异于热成像技术，是利用电流注入或光子注入使电池中激发电子空穴对，然后被激发的电子和空穴复合向外发射光子，波长大约为3～5 μm。与热成像相比，EL和PL因为其短波红外光可以穿透玻璃，在组件方面更受重视。但是在检测漏电缺陷方面红外热成像相对于EL和PL效果更优，根据不同漏电程度的缺陷会显示不同的发热状况，从而直接地判断漏电位置和程度的轻重[5-7]。

图1为定位漏电区域的装置示意图[8]，该系统有红外热像仪、直流稳压源、样品台和计算机四部分组成。红外热像仪采用VH 190非制冷焦平面微量热型探测器，50 Hz实时成像，探测的光谱范围为7.5～14 μm，热灵敏度优于0.08℃。直流稳压电源采用VD1710-3B三路跟踪直流稳压源。当太阳电池在外加反向偏压下，漏电区域发热比非漏电区域明显，因而该处温度比非漏电区域高。利用红外热像仪对太阳电池表面温度分布进行测量就可以确定漏电区域的位置。某区域的温度越高，该处的漏电流越严重。

图1　定位漏电区域的装置示意图

1.2晶体硅太阳电池漏电的修复

晶体硅太阳电池片等效成无数个“点型”PN结并联而成。太阳电池漏电的修复就是隔离掉失效部分的PN结，使其不影响整片电池的性能。传统的机械隔离是一种危险的做法[9]，由于精度不高，不但不能隔离掉漏电部位，而且还会引进新的旁路结。化学刻蚀漏电区域，操作过于繁琐和成本过高，所以我们选用激光器作为修复工具。聚焦后的极细的激光光束如同刀具，利用其高密度的能量对硅片进行局部照射，使其表层材料气化。其先进性在于隔离过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，而且热影响区域小，因此不会损伤电池片。本文从刻槽的绝缘性和深度两方面优化激光工艺参数，结合Veeco NT9000轮廓仪，实验了三种不同的修复方案，即红外激光相同工艺参数下的一次刻槽和两次刻槽，以及绿激光器的两次刻槽。

2　结果与分析

2.1多晶密集腐蚀坑型漏电

在进行红外热成像时，先对电池先后施加反向偏压，从0 V开始逐渐加大，观测电池的发热情况。严重的漏电一般在0.5 V时就出现明显的发热异常，而一般在5 V以上才出现异常发热的漏电区对正常工作条件下的电池性能影响很小。由于硅片热传导性差，通常可以在1～2 s内完成电池片的热成像拍摄。辅助设备用到金相显微镜、扫描电镜和能量质谱仪，可以准确地找出漏电类型。图2中从金相图和电子扫描图上可以看出多晶硅电池片上有许多暗纹和孔洞，这些暗纹和孔洞异于电池片表面的刮伤。在多晶硅电池制绒过程中，由于制绒液不均匀，多晶硅片中的小角晶界易于被腐蚀，从而在硅片表面形成暗纹和孔洞。而小角晶界往往是杂质及缺陷的聚集区域，从而产生旁路结，降低电池片的效率。

图2　含旁路结电池片的热成像图(a)、金相显微图(b)和SEM图(c)

2.2旁路结的修复

激光光斑重叠率经验计算方法为：μ=(1－v/fd)×100%，其中μ为激光光斑的重叠率，v为激光光斑移动速度，f为激光器的Q频，d为光斑直径[10]。根据光斑重叠率的计算公式，调节激光器的相关参数，使激光刻槽均匀连续。图3为(a),(b)和(c)激光的工艺隔离后的三维轮廓图。从槽的轮廓图上可以看出，激光的波长和材料的吸收有很大关系，硅片对λ=532 nm波长的激光有很好的吸收，而λ=1 064 nm波长的激光需要隔离两次才能达到连续均匀的槽。根据比色条，可以读出槽的深度，λ= 1 064 nm的激光刻槽两次的深度大于30 μm,λ=532 nm的激光刻槽两次的深度为30 μm。

图3　激光刻槽的轮廓图

从同一批次已经被检测出含有旁路结的晶体硅电池进行修复研究，分别按照图3激光的工艺参数进行旁路结隔离。通过测量对比原始含有旁路结的晶体硅电池和修复后的电池的电性能参数，来评估修复效果。图4～6为修复前后电池片的效率、串联电阻和并联电阻数据对比。

比较修复前后电性能参数可以发现：采用工艺(a)，使太阳电池效率平均降低了0.065%，串联电阻平均降低0.034 5%，并联电阻平均提高了80%；采用工艺(b)，使太阳电池效率平均提高了1.241%，串联电阻平均降低了5.538%，并联电阻平均提高了100%以上；采用工艺 (c)，使串联电阻平均增加了1.514%，效率和并联电阻几乎没什么变化。

3　结论

本文利用红外热成像无损检测技术，结合金相显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等辅助分析仪器，发现了一种新的漏电类型，即多晶硅电池表面密集腐蚀坑所引起的漏电，该漏电的成因异于电池片表面的刮伤。在多晶硅电池制绒过程中，由于制绒液和温度的不均匀，多晶硅片中的小角晶界易于被腐蚀，从而在硅片表面形成暗纹和孔洞，而小角晶界往往是杂质及缺陷的聚集区域，从而产生旁路结，降低电池片的效率。对比修复前后太阳电池的效率、串联电阻和并联电阻，发现红外激光器的两次刻槽修复的效果优于红外激光一次刻槽和绿激光二次刻槽。相同激光参数下的两次刻槽修复的效果优于一次刻槽验证了一次刻槽会使槽内残留硅和金属颗粒的猜想。硅和金属的残渣会使槽的绝缘性大大降低，导致激光修复效果不明显。轮廓优美的绿激光二次刻槽的深度为30 μm，红外二次刻槽的深度大于30 μm，但是修复效果优于绿激光器刻槽，说明了想要彻底切断漏电部位和周围PN结的联系，刻槽的深度需30 μm以上。以上实验结果对激光修复产业化研究具有指导性的意义。

图4　方案(a)(b)(c)下，电池片修复前后的效率

图5　方案(a)(b)(c)下，电池片修复前后的串联电阻

图6　方案(a)(b)(c)下，电池片修复前后的并联电阻

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Detection and repair of crystalline silicon solar cell leakage

LI Lu1,SUN Xiao-lin1,WANG Fang1,WANG Jian-bo2
(1.College of Electronic and Information Engineering,San Jiang University,Nanjing Jiangsu 210012,China;2.China Sunergy(Nanjing)Co. Ltd,Nanjing Jiangsu 210012,China)

Based on the nondestructive testing technology,a method was presented to localize the leakage current of the c-s solar cell that infrared thermograph was used to take a photograph on the surface of the cell to see how the heat was distributing.The optical microscope and SEM could find a new type leakage current which was the cause of dense corrosion pits.Two types of lasers with 1 064 and 532 nm were used to do three difficult kinds of the repair technologies from the insulation and depth of the groove.It could estimate the effect of the repair through the I-V electric performance parameters before and after.The experimental results show that twice groove repair technology can make the residual silicon and metal particles vaporized off completely from the groove.The depth of groove needs more than 30 μm that can remove the leakage from the cell better.

Si solar cell;laser repair;infrared thermography;bypass

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)10-1979-04

2016-03-26

江苏省高校自然科学基金(14KJD510009)

李路(1983—)，男，江苏省人，讲师，硕士，主要研究方向为高效太阳电池。