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EL测试缺陷分析摘要：主要利用电致发光(EL)手段对晶体硅光伏组件产生的裂纹、断栅和黑片等隐性缺陷进行分析研究，测试组件的最大功率；将有明显隐性缺陷的组件与无明显隐性缺陷的组件进行对比，分析各性能参数的差异，同时研究缺陷对功率的影响及缺陷产生的原因。
另外，为研究黑片对组件的影响，选取组件做PID试验，观察试验后的组件EL 图像和功率衰减情况，分析黑片产生原因及其对组件性能产生的影响。
0引言由于硅电池在生产过程中易受到损伤，会产生隐裂、黑心片、断栅、碎裂等组件缺陷，而这些隐性缺陷的存在极大地影响了太阳电池的转换效率和使用寿命，因此，缺陷检测是太阳电池生产制造过程中的核心步骤。
随着光伏组件制造行业的迅速发展，检测手段也越来越先进，目前业内广泛采用电致发光(EL)来检测组件的隐性缺陷[1]。
为了提高组件的效率，本文主要研究组件电池片中常见的隐裂、黑片、断栅、碎裂4种缺陷，分别从EL图像和功率参数分析它们对组件产生的影响[2]。
1EL测试原理EL缺陷检测是探知和监控电池片因工艺或材料本身所导致缺陷的重要手段；通过EL图像的分析可有效发现硅片扩散、钝化、印刷及烧结各个环节可能存在的问题，对改进工艺、提高效率和稳定生产都有重要的作用。
因而，EL被认为是太阳电池生产线的“眼睛”，目前也广泛用于检查光伏组件的隐性缺陷。
EL技术原理是基于对晶体硅太阳电池外加正向偏置电压，电源向太阳电池注入大量非平衡载流子，EL 依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子；再利用CCD相机捕捉这些光子，并通过计算机进行处理后显示出来，进而发现电池片中存在的问题。
处于导带的电子是一个亚稳态，最终会基于自身或在外界的激励下跃迁到价带，并与价带中一个空穴复合，在复合过程中会释放出一个光子，当光子数量很多时就会形成EL图像。
2实验2.1实验方法本次实验采用水平对比的方法。
选取已在户外运行过的6块多晶硅光伏组件，且这些组件均来自同一厂家的同一批次，背板、封装材料及工艺等条件完全一样；所有组件在测试最大功率时都已依照IEC61215的标准进行外观检测，无明显缺陷[3]。
图1 酸抛后的漏电电池硅片PL测试，女，本科、助理工程师，主要从事光伏组件成品的质量管理与生产过程的质量管控、组件生产过程中的异常原图2 正常硅片PL测试3 漏电电池片酸抛后的硅片面少子寿命图4 正常硅片的面少子寿命1.2 酸抛后的漏电电池硅片参数测试漏电电池片酸抛后，对其进行少子寿命、电阻率及厚度测试，具体数据如表1所示。
表1 酸抛后的漏电电池硅片性能参数少子寿命/µs电阻率1.126 1.8000.913 1.0620.963 1.7771.651 1.5301.636 1.3330.974 1.5271.723 1.597少子寿命达到合格的标准是大于1.2测试数据来看，少子寿命存在不合格的情面少子寿命，均值为1.553 µs。
由于漏电电池片所使用硅片的少子寿命低于1.2 µs，因此不满足合格1.4 硅片晶向、位错测试晶向测试。
晶向测试是利用X射线仪进行晶向测定。
其原理为：当一束平行的单色射线射入晶体表面时，X射线照在相邻平面之间的光程差为其波长的整数倍时就会产生衍射。
利用计数器探测衍射线，根据其出现的位置确定单晶的晶向。
位错测试。
位错测试是利用化学择优腐蚀来显示缺陷，试样经择优腐蚀液腐蚀后，在有缺陷的位置会被腐蚀成浅坑或丘，可采用目视法结合金相显微镜进行观察。
片漏电电池片酸抛后进行晶向、位错测试，数据如表2所示。
5 第一次制成的电池片的EL测试结果图6 返工后的电池片EL测试结果2 工艺排查分析2.1 电性能参数对比将漏电电池片与正常电池片在同一测试条件下对比测试。
表3为正常电池片与漏电电池片的性能参数对比。
表3 正常电池片与漏电电池片性能参数对比参数U oc/V I sc/A FF/%N Cell/%I rev1/A 漏电电池10.6469.38281.08520.116 2.267漏电电池20.6479.42780.71620.158 1.839正常电池10.6439.49181.12020.2760.050正常电池20.6459.40681.52420.2600.002为反向电压-10 V时的漏电电流；I rev2流3可知，漏电电池片的并联电阻较小、漏流基本都大于2 A，说明此类电池片不合格。
单晶电池EL缺陷分析【摘要】重点分析研究晶硅太阳能单晶太阳电池EL常见缺陷原因，电池片EL常见缺陷主要分为原材料类导致的缺陷及过程引入缺陷类。
通过对常见的EL缺陷分析研究及有利于改善电池片的产品质量，提升电池片成品的良率，还可进一步降低生产成本。
引言随着晶硅太阳能单晶电池EL质量要求越来越高，提升晶硅太阳能单晶电池EL质量变得尤为重要。
通过对单晶电池EL缺陷成因分析研究，可进一步改善电池片EL缺陷现象，实现晶硅电池质量提升和成本降低的目的。
EL技术介绍EL的测试原理主要是晶体硅太阳电池外加正向偏置电压，电源向晶硅电池注入大量非平衡载流子，电致发光依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子；再利用CCD相机捕捉这些光子，通过计算机处理后显示出来，整个的测试过程是在暗室中进行。
有缺陷的地方，少子扩散长度较低，所以显示出来的图像亮度较暗。
常见晶硅太阳能电池EL缺陷常见晶硅太阳能电池EL缺陷主要分为原材料类导致的EL缺陷及生产过程引入缺陷类。
3.1面状EL发暗缺陷图1为面状EL发暗缺陷，通过测试分析与正常片相比色度较暗，通过WT1200面少子寿命测试仪器测试，图2显示整体面少子发暗片相比正常片偏低，利用酸溶液抛光电极重新制绒测碘钝化少子寿命，表1显示面状发暗少子寿命明显低于正常片。
原料面少子主要与材料存在关联。
此种材料缺陷势必导致硅的非平衡少数载流子浓度降低，降低该区域的EL发光强度。
此类原材来异常初步认为因拉晶过程引入杂质含量过高引起硅片材料本身缺陷，导致电池片EL测试面状发暗。
测试发暗片量子响应，与正常片对比，发暗片长波段量子响应明显偏低，趋势与原材料黑芯片类似长波段明显偏低。
测试图片如下所示。
3.2生产过程常见的EL缺陷3.2.1EL云雾片缺陷类型1图3中分别为晶硅太阳能电池正常片EL、边角、面状云雾状EL发黑缺陷片。
通过TLM测试仪器分别测试正常片、边角,面状云雾状EL 发黑缺陷片面接触电阻。
晶体硅太阳电池及组件EL测试介绍近年来随着光伏行业的迅猛发展，光伏组件质量控制环节中测试手段的不断增强，原来的外观和电性能测试已经远远不能满足行业的需求。
目前一种可以测试晶体硅太阳电池及组件潜在缺陷的方法为行业内广泛采用，即el测试。
el是英文electroluminescence的简称，译为电致发光或场致发光。
目前el测试技术已经被很多晶体硅太阳电池及组件生产厂家应用，用于晶体硅太阳电池及组件的成品检验或在线产品质量控制。
1.el测试的原理在太阳电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。
在正向偏置电压下，p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理[1]。
发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。
在太阳能电池两端加入正向偏压, 其发出的光子可以被灵敏的ccd 相机获得, 即得到太阳电池的辐射复合分布图像。
但是电致发光强度非常低, 而且波长在近红外区域，要求相机必须在900-1100nm 具有很高的灵敏度和非常小的噪声。
el测试的过程即晶体硅太阳电池外加正向偏置电压，直流电源向晶体硅太阳电池注入大量非平衡载流子，太阳电池依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子，也就是光伏效应的逆过程；再利用ccd相机捕捉到这些光子，通过计算机进行处理后以图像的形式显示出来，整个过程都在暗室中进行。
el测试的图像亮度与电池片的少子寿命（或少子扩散长度）和电流密度成正比，太阳电池中有缺陷的地方，少子扩散长度较低，从而显示出来的图像亮度较暗。
通过el测试图像的分析可以清晰的发现太阳电池及组件存在的隐性缺陷，这些缺陷包括硅材料缺陷、扩散缺陷、印刷缺陷、烧结缺陷以及组件封装过程中的裂纹等。
2.el测试常见缺陷及分析2.1破片组件中的破片多出现在组件封装过程的焊接和层压工序，在el测试图中表现为电池片中有黑块，因为电池片破裂后在电池片破裂部分没有电流注入，从而导致该部分在el测试中不发光。
图1 EL测试原理图
电致发光检测方法及其应用
Willurpimd, Jacky
图3 单晶硅电池的隐裂EL图及区域放大图 但是由于多晶硅片存在晶界影响，有时很难区分其与隐裂，见图4的红圈区域。
所以给有自动分选功能的EL测试仪带来困
难。
图4 多晶片的EL图
2.断栅
印刷不良导致的正面银栅线断开，从
图5的EL图中显示为黑线状。
这是因为栅线
断掉后，从busbar上注入的电流在断栅附
近的电流密度较小，致EL发光强度下降。
图5 印刷断线的EL图
3.烧结缺陷
一般而言，烧结参数没有优化或设备
存在问题时，EL图上会显示网纹印(图6左)。
采取顶针式或斜坡式的网带则可有效消
除网带问题，图6右是顶针式烧结炉里出来
的电池，图中黑点就是顶针的位置。
电致发光检测方法及其应用
Willurpimd, Jacky
图6 有烧结问题的EL图
4.“黑心”片
图7 黑心片EL图 直拉单晶硅拉棒系统中的热量传输过
程对晶体缺陷的形成与生长起着决定性的
作用。
提高晶体的温度梯度, 能提高晶体
的生长速率, 但过大的热应力极易产生位
错。
图7就是我们一般所说的“黑心”片的
EL图。
在图中可以清楚地看到清晰的旋涡
缺陷, 它们是点缺陷的聚集, 产生于硅棒
生长时期。
此种材料缺陷势必导致硅的非
平衡少数载流子浓度降低，降低该区域的
EL发光强度。
5.“漏电”问题
图8 漏电电池片的EL图、红外图、局部放大图。
因此对这种光伏组件EL 测试明暗片问题形成原因、
对组件质量影响及控制方法等进行研究是非常有必要的。
1光伏产品内在质量EL 检测方法
18.1%；B4串：效率18.9%；EL 图如下所示。
实验图像表明，效率差≥0.8%时可分辨明暗差别；效
率差≤0.6%时未观察到明暗差别。
根据实验图2~图5表明，在少子寿命相同的情况下：
电池效率相差0.2%~0.6%，组件EL 图没有明显的明暗
情况；电池效率相差达到0.8%时，组件EL 图可以分辨
出明暗。
图1光伏组件EL 测试明暗片
图2实验一图3实验二图4实验三图5实验四
3结果与讨论
通过本文的实验分析表明，组件EL图上明暗片问题与少子寿命差异没有必然联系、与电池效率差异有一定关系。
电池效率相差0.8%以上EL图可以分辨出明暗情况。
虽然少子寿命、电池效率差异、包括方阻差异，理论上片各参数的一致性控制、要的。
参考文献: [1]Rita Ebner,Gusztáv Halwachs.Concept of a
图6图1光伏组件EL测试明暗片。
现代科学仪器Modern Scientific Instruments第5期2010年10月N o.5 O c t. 2010105缺陷太阳电池EL 图像及伏安特性分析肖娇 徐林 曹建明（上海交通大学物理系太阳能研究所 上海 200240）摘 要 本文基于电致发光（Electroluminescence,EL）的理论，利用红外检测的方法，通过CCD 近红外相机实验检测出了晶体硅太阳电池中存在的隐性缺陷，如隐裂、断栅、电阻不均匀、花片等，并将可见光下电池图像与EL 图像进行对比。
对存在缺陷的太阳电池进行了伏安特性测试，得出隐裂缺陷对太阳电池伏安特性、填充因子、效率等性能的影响，也证明电致发光技术检测太阳电池缺陷的准确性。
关键词 太阳电池；电致发光；电池缺陷；伏安特性中图分类号 O474Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ Ｉ－Ｖ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｏｌａｒ ＣｅｌｌｓXiao Jiao, Xu Lin, Cao Jianming(Solar Energy Institute, Physics Dept, Shanghai JiaoTong University, Shanghai, 200240, China)Abstract Based on Electroluminescence (EL) theory, the micro-cracks of crystalline silicon solar cells were detected by the near-infrared CCD camera, such as the cracks, off-grid, non-uniform resistance, fl ower slice. Then we compared the EL images with the images under visible light. I-V characteristic of the defective solar cells was tested, and we got that the defects would affect the I-V curve, fi ll factor, ef fi ciency of the solar cell, meanwhile EL technology is proved to be an accurate measurement to detect solar cells.Key words Solar cell; Electroluminescence;Solar cell defects; I-V characteristic收稿日期：2010-06-23作者简介：肖娇，女，上海交通大学硕士研究生，主要从事太阳能光伏检测设备的研发目前工业化晶体硅太阳电池在制造过程中通常采用丝网印刷、高温烧结、互联、层压封装等生产工艺，其中丝网印刷的机械应力、焊接的热应力、高温烧结的热应力、层压封装的机械应力等不可避免会引入一些缺陷，包括隐裂、碎片、断栅、虚焊等，这类缺陷的存在极大地影响了太阳电池的光电转化效率和电池的寿命。
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，故有效的检测手段是非常必要的。
本文运用基于电致发光（Electroluminescence ,EL）的检测方法，有效地检测出了太阳电池中可能存在的缺陷，是一种有效的检测电池、组件的方法。
对检测出来的各类缺陷电池进行伏安特性曲线、填充因子、效率、串联电阻等各项性能测试，结果表明存在缺陷的电池漏电流较大，填充因子、效率减少较严重，性能测试结果和EL 检测方法得出的结论一致.1 电致发光实验理论基础在太阳电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。
在正向偏压下，p-n 结势垒区和扩散区注入了少数载流子。
这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理[1]。
发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。
在太阳能电池两端加入正向偏压, 其发出的光子可以被灵敏的CCD 相机获得,即得到太阳电池的辐射复合分布图像。
但是电致发光强度非常低,而且波长在近红外区域，要求相机必须在900-1100nm 具有很高的灵敏度和非常小的噪声。
图1为电致发光的光谱图[2]。
2 CCD 红外相机试验方法实验样品为国产多晶硅太阳电池，采用由加拿大生产的INFILITY 近红外相机，ELECTROOPTIC 公司生产的红外相机镜头，其波谱响应范围为800nm ～1100nm。
在试验过程中，利用直流稳压电源给多晶硅电池加正向偏压，控制正向偏压大小为Modern Scientific Instruments106N o.5O c t.201040mA/cm2左右，调节相机像素为1392×1392pixs，拍摄冷却温度为-25℃，曝光时间控制在适当范围以达到更好的图像效果，同时为减少噪声应尽可能控制增益大小,实验在暗箱环境中进行。
实验结果与讨论：图2 所示为多晶硅太阳电池片1在可见光下及EL图像，选取相同位置图像作为对比。
如图2(B)所示在电致发光情况下检测出了清晰的太阳电池裂纹，而这种隐裂可见光下是无法观测到的。
电池裂纹缺陷可能来源于前期的硅片弯曲和扭曲，或者是在组件层压和固化工艺过程引起，另外，焊锡、串联等工艺也会引入裂纹。
研究表明[3]，对于晶体硅太阳电池，长度超过1mm的裂纹将不能承受2400Pa（约100mph风速）的压力。
在户外使用时，裂纹将会演变为碎片，导致电性能的损失甚至开路，严重影响电池的使用寿命和可靠性。
A B图2 太阳电池片1可见光下及EL图像(A 太阳电池1可见光下图像；B 太阳电池1 EL图像)图3所示为多晶硅太阳电池片2在可见光下及EL图像，选取电池片相同位置图像作参考对比。
由该电池的EL图像可以看出，主栅线已断，整片电池已经无法正常导通。
丝网印刷质量不佳往往易造成断栅缺陷。
在丝网印刷时，若某处栅线断裂，外加电场则无法顺利地到达此处的p-n结，所激发的光子密度较低，因此发光图片显示为暗色。
而实际工作中时，这种缺陷的存在导致光生载流子的收集效率降低，从而影响光谱响应，降低组件的转换效率。
A B图3 太阳电池片2可见光下及EL图像(A 太阳电池2可见光下图像；B 太阳电池2 EL图像)图4为多晶硅太阳电池3 EL图像，可以看到该电池表面发光强度不均匀，这是由于电阻不均匀引起的,较暗区域一般串联电阻较大[4]。
这种缺陷能反应少子寿命的分布情况，缺陷部位少子跃迁机率降低，故电致发光图片上显现为暗色。
图5为多晶硅太阳电池4 EL图像，图像整体为黑色，但带有较多亮斑。
此种电池 片缺陷为花片，花片缺陷造成的主要原因为烧结不透，花片同样会给太阳电池电性能造成严重影响。
图4 太阳电池3电致发光图像图5 太阳电池4电致发光图图6 A,B为多晶硅太阳电池5在可见光下及EL图像。
在可见光下仅可看到此电池片的显裂，而在EL图像中电池的显裂及隐裂均被识别出来。
A B图6 太阳电池片5可见光下及EL图像(A太阳电池5可见光下图像;B太阳电池5 EL图像 )图1 晶体硅太阳能电池电致发光光谱图[2]107第5期2010年10月通过实验结果及分析，基于电致发光的晶体硅太阳电池缺陷检测能将电池中各种可能存在的缺陷检测出来。
同时它也适用于太阳电池组件的检测，并具有非接触、快速、准确的优点。
3 对实验样品进行性能测试对缺陷试验片进行I-V 特性曲线、填充因子、转换效率、串联电阻等性能测试，以进一步确认电池片中缺陷的存在，观察缺陷存在对电池片电性能的影响，并加入无明显缺陷的太阳电池片0作为对比。
实验采用上海赫爽太阳能有限公司生产的太阳电池测试仪，对存在隐裂缺陷的太阳电池片1、断栅电池片2、电阻不匀电池片3、花片电池片4进行了电性能测试。
下图7 A-D 为四个试验片的I-V 特性曲线测试结果，表1为试验片的其他电性能测试结果。
图7 试验电池片I-V 特性曲线图(A 隐裂太阳电池1 I-V 特性曲线图；B 断栅太阳电池2 I-V 特性曲线图；C 电阻不匀太阳电池3 I-V 特性曲线图；D 花片太阳电池4 I-V 特性曲线图)表1 试验太阳电池片电性能测试表电池名称测试温度(℃)校正到光强(mw/cm 2)校正到温度(℃)开路电压（V）短路电流(A)串联电阻(Ohm)并联电阻(Ohm)最大功率(W)填充因子（%）效率（%）125.3510025.350.59 1.440.072696.320.49658.008.17225.4410025.44\\\\\\ \325.3710025.370.61 2.180.041021.240.93270.1710.9425.3510025.350.61 4.410.066313.860.96335.51 6.17025.4210025.420.614.960.029128.61.2872.7715.2ABCD从上述测试结果可以看到，隐裂、断栅、电阻不匀、花片等缺陷对太阳电池有不同程度的影响，缺陷电池相对于无明显缺陷的对比电池短路电流、并联电阻、填充因子、效率均下降，而串联电阻均有所增加，对开路电压的影响较小。
隐裂致使太阳电池片1串联电阻增大，串联电阻影响太阳电池的正向伏安特性，致使短路电流显著下降；串联电阻的增大和并联电阻的减小都会使 肖娇 等：缺陷太阳电池EL 图像及伏安特性分析Modern Scientific Instruments108N o.5O c t.2010填充因子和光电转换效率下降明显。
这也与文献中[5]的仿真结果相符。
电阻不匀太阳电池片部分区域的串联电阻较大，缺陷密度高，少子在此处复合速度更快，少子寿命降低。
同时试验片3的并联电阻明显降低，并联电阻对短路电流影响较小，但影响反向特征，并联电阻产生较大的漏电流使得最终试验片3的短路电流较小，使得电池功率及填充因子下降。
花片为一般为烧结不透所致，在丝网印刷工艺中，银导电浆料主要由银粉颗粒、无机相及有机载体组成，银粉作为导电功能相，其烧结质量直接影响收集电流的输出。
研究还发现，若铝背场浆料中含有碱金属钾，引入了深杂质能级，少子寿命严重下降 [6]。
表一可看到花片电池存在较低的并联电阻，体内存在大量的复合中心，故理想因子及反向饱和电流较大，图7（D）中可以看到花片太阳电池填充因子下降近一半，可将其归为不合格片。
