（物理电子学专业论文）多晶硅太阳电池制绒和隐性缺陷的电致发光检测.pdf

摘要 近年来，由于多晶硅成本低及其电池效率的不断提高，有逐渐成为晶体硅太 阳电池主流产品的趋势。然而，多晶硅没有统一确定的晶向其绒面较难制备，影 响了多晶硅太阳电池效率的提高。此外，多晶硅晶界多，容易在电池制备过程中 形成隐性缺陷，这些隐性缺陷肉眼不容易识别，如果没有及时剔除将影响多晶硅 电池组件和电站的可靠性。 针对以上两个当前多晶硅太阳电池生产的难题，本文进行了研发，并取得了 以下主要结果： 1 、使用h n 0 3 ：h f ：h 2 0 = 5 ：1 ：3 的化学腐蚀体系，将反应控制在低温环境 ( 0 - 6 c ) 。多晶硅片在这种体系下反应速率得到了很好的控制。实验表明在腐 蚀一分钟时绒面效果最佳而且不会产生其他附加缺陷，此时多晶硅片表面平均反 射率降低到1 7 2 ，比原始硅片降低了1 2 ，在生长完s i n x 减反射膜后平均反 射率降到6 0 2 。 2 、磷吸杂工艺可有效地提高低成本冶金法多晶硅片的少子寿命，但磷吸杂 后因腐蚀掉吸杂层后多晶硅片表面容易被抛光，所以制绒更困难。我们采用两步 腐蚀法：首先使用n a o c i ：n a o h ( 1 0 ) = i ：i 溶液去除表面吸杂层的同时维持硅片 表面一定的腐蚀坑织构，之后在低温环境( 0 , - - 6 c ) 的h n 0 3 ：h f ：h 2 0 = 5 ：1 ：3 溶 液中腐蚀一分钟，硅片面形成一层类似“蜂窝”状的绒面织构。两步腐蚀后硅片表 面平均反射率为2 2 7 ，比原始硅片平均反射率降低了6 5 。在生长完s i n x 减 反射膜后平均反射率降到8 3 3 。 3 ，利用太阳电池电致发光成像能快速有效地检测出电池的隐形缺陷。我们 设计并加工制备了“晶体硅太阳电池电致发光缺陷检测仪”。当给晶体硅太阳电池 施加正向偏压时能快速有效检测出如电极，微裂，花片等缺陷，施加一定反向偏 压；当达到预击穿电压时能快速有效检测出p n 结因存在杂质而引起的漏电缺陷。 利用温度对晶体硅太阳电池不同缺陷处电致发光强度影晌大小的不同，可有效辨 别缺陷类型。在本工作的基础上申请了一项名为“一种太阳能电池电致发光成像 缺陷检测仪”( 专利号：2 0 1 0 2 0 1 9 7 1 5 9 4 ) 的专利，并于2 0 1 0 年1 2 月1 5 日获得 授权。 关键词：多品砘太阳i 【! 池：低成本；制绒；隐性缺陷；电致发光 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h el o w - c o s ta n di m p r o v i n ge f f i c i e n c y , m u l t i e r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l sh a v eat r e n dt ob em a i n s t r e a mp r o d u c t si nt h ef i l e do fc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l s h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt ot e x t u r i n gf o rm u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o n b e c a u s eo fi t sv a r i o u sg r a i no r i e n t a t i o n ，t h u sf u r t h e ri m p r o v e m e n to fe f f i c i e n c yi s h i n d e r e d m u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o nt e n d st of o r mh i d d e nd e f e c t so w i n gt oal a r g e n u m b e rg r a i nb o u n d a r y t h e s eh i d d e nd e f e c t sc a nn o te a s i l yf i n do u tb yn a k e de y e ， a n dw i l li n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo fm o d u l ea n dp o w e rs t a t i o ni ft h e yc a nn o tb e e l i m i n a t e di nt i m e t oo v e r c o m et h et w os h o r t a g ep r o b l e m sa b o v e ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ef o l l o w s t u d i e sa n do b t m n e dt h ef o l l o wm a i nr e s u l t s ： 1 t h ee t c h i n gr a t eo fm u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o nw a f e rc a nb ew e l lc o n t r o l l e dw h e n u s e dc h e m i c a le t c h i n gs y s t e mw i t ht h er a t i oo fh n 0 3 ：h f ：h 2 0 = 5 ：1 ：3i nt h e t e m p e r a t u r es p a no f0 - - 。6 c ，e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t t h es u r f a c et e x t u r e s a c h i e v e dt h eb e s te f f e c ta f t e ro n em i n u t et e x t u r i n ga n dw i l ln o tg i v er i s et o a d d i t i o n a ld e f e c t s m e a n w h i l e ，t h ea v e r a g er e f i e c t i v i t yo fw a f e ri sr e d u c e dt o 1 7 2 ，w h i c hi s1 2 l o w e rt h a nt h ei n i t i a lw a f e r , a n df i n a l l yr e d u c e dt o6 0 2 a f t e rg r o w i n go ns i n xt h i nf i l m s 2 p h o s p h o r u sg e t t e r i n gc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h el i f e t i m eo fm i n o r i t yc a r r i e sf o r m u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o np u r i f i e db yp h y s i c a lm e t a l l u r g ym e t h o d ，b u ti ti sm o r e d i f f i c u l tt ot e x t u r i n gb e c a u s et h es u r f a c eo fs i l i c o ni s e a s yt ob ep o l i s h e da f t e r r e m o v i n gg e t t e r i n gl a y e r w eu s ct w os t e p se t c h i n gm e t h o d ：f i s t ，r e m o v i n g g e t t e r i n gl a y e ra n dk e e p i n gac e r t a i nd e g r e eo fs u r f a c et e x t u r ew i t hn a o c l ： n a o h ( 1 0 ) = i ：i ，a n dt h e ne t c h i n go n em i n u t ew i t hh n 0 3 ：h f ：h 2 0 = 5 ：1 ：3a to 6 c ，t h e r ew i l lb eah o n e y c o m b i n g - l i k et e x t u r el a y e ro nt h es u r f a c eo fw a f e r a f t e r t w os t e p se t c h i n g ，t h ea v e r a g er e f l e c t i v i t yo fw a f e ri sr e d u c e dt o2 2 7 w h i c hi s 6 5 l o w e rt h a nt h ei n i t i a lw a f e r , a n df i n a l l yr e d u c e dt o8 3 3 a f t e rg r o w i n go n s i n xt h i nf i l m s 3 w ec a nf i n d o u tt h eh i d d e nd e f e c t so fs o l a rc e l l s q u i c k l yb y i t s e l e c t r o l u m i n e s c e n c ei m a g i n g w ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da c r y s t a l l i n es i l i c o n s o l a rc e l l sd e f e c t sd e t e c t o rb a s e do ne l e c t r o l u m i n e s c e n c ei m a g i n g u n d e rf o r w a r d b i a s ，e l e c t r o d ed e f e c t sm i c r o c r a c kd e f e c t s ，p o o rc o n t a c td e f e c t sa n ds oo nc a l lb e q u i c k l ya n de f f e c t i v e l yf o u n do u t w ec a l la l s od e t e c ts h u n t e dd e f e c t sw h i c h c a u s e db yi m p u r i t i e sc o n t a i n e di np nj u n c t i o n ，w h e nr e v e r s eb i a sr e a c ht oi t s p r e b r e a k d o w nv o l t a g e t h et y p e so fd e f i c i e n c yc a nb ee f f e c t i v e l yd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yc h a n g e dd i f f e r e n t l yu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e b a s e do no u rs t u d i e s ，w eh a v ea p p l i e df o rap a t e n t ( p a t e n tn u m b e r ： 2 0 1 0 2 0 1 9 7 1 5 9 4 ) w h i c hi sn a m e d ad e f e c t sd e t e c t o ro fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a r c e l l sb a s e do ne l e c t r o l u m i n e s c e n c e i m a g i n g ”，a n dw o nt h e a u t h o r i z e d i n d e c e m b e r1 5 ，2 0 1 0 k e y w o r d s ：m u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s ；l o w - c o s t ；t e x t u r i n g ；h i d d e n d e f e c t s ；e l e c t r o h m i n e s c e n c e ； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究背景 1 1 1 光伏能源优势 能源是社会可持续发展的重要制约因素，关系着经济安全和国家安全，因此 能源问题也成为当今国际政治，经济，军事外交关注的焦点l 。依靠大量消耗传 统能源( 石油、煤炭，天然气) 来推动社会发展的粗放型发展模式引发了一系列 问题，如传统能源面临枯竭，油价疯涨，全球气候环境恶化，这些因素无一不制 约着社会的可持续发展。虽然中国是一个能源生产大国，但同时也是个能源消费 大国，中国人均能源资源相对不足仅为世界平均水平的4 0 。近些年，随着中国 经济的快速发展，中国对能源，尤其是对石油的需求不断增加，中国已成为世界 第二大石油消费国，能源供需缺口逐渐扩大，能源安全问题日显突出。按当前的 资源消耗速度，中国煤炭资源可持续发展年限已不足1 0 0 年，石油可持续发展年 限已不足1 5 年，天然气可持续发展年限已不足3 0 年，中国能源可持续发展形势面 临严峻的挑战。能源紧缺和环境恶化双重危机迫使各国大力推进可再生能源的发 展步伐，以改变现有的能源结构，加大可再生能源的比例。史立山【2 l 曾撰文详细 分析了中国能源现状及对可再生能源发展做出了系统规划建议。 太阳能是除风能、海洋能，地热能等之外的另一种重要的绿色能源。太阳能 光伏发电技术是太阳能利用的一个领域，它通过光电转换装置将太阳能辐照直接 转换成电能。太阳能电池是这种光电转换装置中的核心器件，它利用半导体器件 的光生伏打效应将光转换成电能。 与传统能源相比太阳能电池有以下优点1 3 ，4 】： 1 体积小重量轻，单位重量比功率为1 0 0 - 1 0 0 0 w k g ： 2 寿命长，般认为寿命为2 5 年以上，不需要任何燃料，几乎不需要维护，有 阳光就能发电； 3 无工质消耗、无噪声，无污染，零排放； 4 分布式电站，规模大小皆宜； 5 能量回收期短，一般只需要0 8 3 年； 多晶硅太阳电池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 6 安装容易，建设周期短，降价潜力大等； 1 1 2 光伏产业发展趋势 现存的各种能源压力都迫使全世界努力探索能替代传统能源的可再生能源 产业。太阳每秒钟辐射到地球的能量相当于5 0 0 万吨煤的能量，可以说太阳能是 “取之不尽”，“用之不竭”的能源，这为光伏发电产业的快速发展奠定了基础，并 且光伏发电的应用领域非常广泛，主要集中在照明，通信和交通领域，随着光伏 发电与建筑物的结合( b l p v ) 以及并网发电技术的发展，这些更将光伏产业的 发展推向了新的高峰。从图1 1 【5 l 可看出近些年来光伏发电发展在可再生能源发展 中年平均增长速率最快。 并网光伏 生物柴油 风能 地热采暖 离阿光伏向r 叫i 一叭 太芦日能搀水嚣 生物乙醇 小水电 生溅莹 生物质采暖 图1 12 0 0 0 - - 2 0 0 9 可再生能源的年平均增长率 国内外对光伏发电产业的发展前景一片看好，光伏发电厂数目也在逐渐增 加，发电规模逐步扩大。在9 0 年代期间美、日、德等发达国家纷纷推出一系列的 补助奖励政策和庞大的光伏工程计划 6 1 ，如美国的“阳光计划”，“百万屋顶计划”， 德国的“十万屋顶计划”，日本的“新阳光计划”、“朝日计划”等。各个国家都相继 对未来光伏发电成本做出了趋势预测，德国专家预计2 0 1 7 2 0 1 8 年光伏发电可实 现平价上网，如图1 - 2 17 l 所示。美国专家预计2 0 1 5 年前后光伏发电成本与常规发电 成本持平，如图1 - 3 1 7 l 所示：光伏发电成本的不断降低，这使得光伏发电成本可与 传统能源电力成本相竞争比伏产业凭借其绿色能源的优势在未来的战略地位愈 2 显突出。j r c ( j o i n t r e s e a r c hc e n t e r ) 早在2 0 0 4 年就对光伏发电做出远期发展趋 势预测，如图1 4 嗍所示，从图中可看出到2 0 5 0 年预计光伏发电将占据总能源发电 量的2 8 ，到2 1 0 0 年将快速增长到占据6 7 。 图l - 2 德国对光伏发电成本下降预测 光伏发电成本范围 一i 常规发电成本范围 图1 3 美国对光伏发电成本下降预测 光伏发电成本要进一步降低，就意味着作为光伏发电装置的核心组成部分 固 1 1 ：c a i i n s t = o c i n口血ctv l g 暑口 一口oonti工slcmu c5i彤c心：io_啦ou 多晶硅太阳电池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 太阳能电池的成本要不断降低。近几年随光伏产量不断扩大，电池效率不断提高， 电池成本在不断下降。图1 5 【7 】是近些年世界太阳能电池产量的增加情况图表，从 2 0 0 2 年以来各国太阳电池年产量均实现了快速增长。其中我国太阳电池年产量增 长最为迅速，2 0 0 7 年产1 0 8 8 m w 超过欧洲，成为世界第一；2 0 0 9 年全球太阳电池 言 ： ： 一 譬 耋 _ 艺 葛 暑 图l - 4j r c 预测光伏发电远期发展趋势预测 o e o t h e n m l o t h a r e s o 】_ 孤k 删 p v s o l m h e n a d e k c t n 娜, 删 瑚哪州l 小c i 删 b w m a s s ( t r a d ) h j h 口 n t t c l e ；a n a u r a l0 猫 c o i i o d 图1 - 52 0 0 2 - - 2 0 0 9 世界太阳电池产量的增加情况 r i 第一章绪论 产量为1 0 7 g w p ，我国产量为4 1 6 w p , 占世界生产总量的4 0 0 a ，显居世界首位。 表( 1 ) 是2 0 0 9 、2 0 1 0 年国际光伏市场和安装量，从表( 1 ) 中可知我国2 0 1 0 年光 伏发电的安装量仅占全球的2 7 6 。虽然中国是全世界太阳能电池的最大生产国， 但是光伏发电市场却依然发展缓慢，与光伏产量占全球第一很不相称，远落后于 一些欧美国家，其主要原因是由于中国光伏并网发电技术还处发展阶段，光伏并 网发电电价较高，无法与传统发电相竞争，大大影响了光伏发电在中国的应用。 近几年国内一些地方政府开始对新能源电价实行政府补贴政策， r s ，则( 3 1 ) 式表示为： l = 一1 0 ( e x p q 删i , c r , 一1 ) ( 3 2 ) 上式表明，串联电阻是影响短路电流的主要因素，并联电阻对短路电 流基本没有影响，减小是提高短路电流的关键。串联电阻主要是由于太阳电 池在电极制作过程中形成的，如何完善电极的欧姆接触降低串联电阻是太阳能 电池设计中的重要部分。在理想情况下，短路电流i | c 等于i p h ，即短路电流等于 太阳电池光照后产生的光电流。i - v 关系曲线与y 轴的交点其电流值就是i | c 。 3 1 2 开路电压v 开路电压是太阳电池负载无限大的状态下的输出电压，这时通过太阳电池 的净电流为零，即i = 0 ，帆，则有： = o ( e x p 警1 ) + 卺 ( 3 3 ) 第三章太阳l u 池t 作原理及l 乜致发光原理 由上式表明，开路电压不受串联电阻r 。的影响，但与并联电阻有关。 太阳电池的并联电阻主要是由于体材料缺陷，p n 结存在杂质缺陷电池在制 作完电极后金属杂质扩散进入电池边缘p n 结而引起。增大r s l i 可以提高开路电 压。对于理想的太阳电池，并联电阻为无穷大，此时丌路电压表示为： v 钟：等i n ( 1 + 争 ( 3 4 ) 口 d 、7 上式中，v 矗随光照电流i d h 的增加而增加，同时也随着二极管的反向饱和电 流i o 的增加而降低。i v 关系曲线与x 轴的交点其值就是v 0 。 3 1 3 填充因子f f 填充因子定义为太阳电池在最大功率输出时，输出功率p m 缸与l s c 乘积 的百分比。在i - v 曲线上的方形面积即为太阳电池的最大输出功率。如果太阳电 池的最大功率输出点对应1 v 曲线上的l m 杖、v m 旺，则p m 辨i m 虹v m “，因此f f 可表示为： f f 。生1 0 0 。 l 吆 ! 婴坚兰垡1 0 0 l k ( 3 5 ) 从式( 3 5 ) 中可知串联电阻太大或并联电阻太小都会使填充因子下降。 3 1 4 光电转换效率 l 光电转换效率定义为太阳电池的最大输出功率p m 戤与各种大气质量下入射 光功率p i n 的比值： 刀= 等= 毕= 芈1 0 0 ( 3 6 ) 。 最最兄 廿w 影响太阳电池转换效率的因素很多，由( 3 6 ) 式可知，影响电池效率的因 素主要可归结为影响短路电流、开路电压和填充因子。 3 2 太阳电池的电致发光性质 3 2 1 太阳电池电致发光原理 t a k a s h if u y u k i l l l 等人在2 0 0 7 年提出太阳电池具有电致发光现象，并通过 3 1 多品硅太阳i 乜池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 研究表明可以通过其电致发光成像来检测缺陷。国内对太阳电池电致发光的研 究丌始于近两年。随着国内外研究的深入，太阳电池电致发光检测技术逐渐广 泛应用于太阳电池及组件的工业制造过程中。 从3 1 章节中可知，太阳电池是一典型的半导体p n 结结构，和其他的半导 体光电二极管一样，太阳电池在施加偏压的情况下也会产生电致发光现象。图 3 3 是p n 结的i v 特性，以及p n 结正向偏压下的注入式发光和反向偏压下的碰 撞离化发光的原理示意图。因为太阳电池可看成大面积的p n 结，所以此图也是 太阳电池电致发光的原理示意图 3 3 太阳电池的两种发光特性图 3 2 2 正向偏压下的注入式发光1 2 l 当给太阳电池p n 结施加正向偏压时，提高了n 区中电子的势能从而降低了 电子注入p 区的势垒高度( 如图3 4 所示) ，正向偏压也降低了空穴注入n 区的 势垒高度，当注入p 区的电子和空穴或注入1 1 区的空穴和电子在p n 结附近相 遇时，产生复合而发光( 如图3 5 所示) 。当然电子和空穴的复合方式有两种， 一种是电子和空穴复合时多余的能量以光能形势辐射成为辐射复合：另一种是 电子和空穴复合时多余的能量以声子形势辐射出而转化为其他形势的能，如热 3 2 第三章太阳电池工作原理及电致发光原理 能机械能等。对于没有缺陷或者存在轻微缺陷的太阳电池来说复合一般都是 以辐射复合的形势出现。辐射复合主要形式有带间辐射复合，浅能级和主带之 间的复合和施主受主对复合，这三种复合形式示意图如图3 6 所示。当太阳电 池存在着较严重缺陷时复合形式就以非辐射复合为主。非辐射复合主要有三种 形式：( 1 ) 电子和空穴复合时，多余的能量不是以光子形式释出，而是加给导 带中的电子( 或价带中的空穴) ，把电子( 空穴) 激发到导带( 价带) 的更高能 态上去，当电子( 空穴) 重新回到低能态时，受激过程中所获得的能量仅以热 的形式造成晶格振动放出声子，这种复合称为俄歇复合；( 2 ) 电子和空穴复合 时，多余能量以激发晶格使之振动而产生多个声子形式释出，这中复合称为多 声子复合；( 3 ) 由于制造问题和有杂质离子污染，而使晶体表面的缺陷远多于 内部，因而注入的载流子便有可能在表面缺陷处产生非辐射复合，这种复合称 为表面复合。因此从以上叙述可知，当给太阳电池施加正向偏压时，较严重缺 陷处会因发生非辐射复合而导致缺陷区域电致发光强度很弱甚至不发光。 p 型 e f一。 了i ：、 ( a )( b ) 图3 - 4 ( a ) 载流子热平衡时能带图，势垒高度为f t ；( b ) 施加正向偏压v j 时能 带图，势垒降低了q i v j 电子流 - 啼 群 n p e ； 一 窖穴流 图3 - 5 正向偏压下的注入式发光能带示意图 3 3 多晶硅太阳电池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 图3 - 6 辐射复合示意图 3 2 3 反向偏压下的碰撞离化发光 在高反向电场作用下，处在导带中的电子在电场加速下达到较高的能量状 态，具有足够能量的电子和晶格原子碰撞使其离化，也就是把价带的电子离化， 使该电子跃迁到导带，在价带里留下一个空穴；具有足够能量的电子也可以与 杂质原子( 即激活中心或发光中心) 碰撞，同样使杂质原子离化，把原来束缚 于杂质原子的电子离化到导带。碰撞离化过程中产生二次电子和原来的初始电 子一起在电场作用下加速，又会引起与更多的晶格和杂质原子碰撞离化，就会 产生更多的电子、空穴对。这样连续的碰撞离化使电子数目连续倍增，最终电 子与空穴复合而产生发光现象，其碰撞离化发光示意图如图3 7 1 3 l 所示。 图3 7 碰撞离化发光示意图1 3 】 导带 价带 用冶金法制备的多晶硅衬底杂质浓度在1 0 1 7 锄。3 左右，从图3 - 8 4 l 中可知， 其对应的预击穿电压( p r e b r e a k d o w n ) 在1 5 v 左右，然而，由于多晶硅存在较 多的品界而晶界处容易引起缺陷，再加上硅片在制作成太阳能电池时工艺不 第三章太阳电池- t 作原理及电致发光原理 恰当而将新杂质或缺陷引入p n 结，从而引起电池并联电阻的减小，导致用冶 金法制备的多晶硅太阳电池的p n 结预击穿电压在7 - - 1 5v 之问。这反向偏 压下的碰撞离化发光一般都发生在电池p n 结存在杂质缺陷处。 1 0 i 4 o 好袷1 61 0 1 7秽8 m p q 张了yc o n c e n t r a t i o nn b c m 。 图3 8 晶体硅太阳电池衬底杂质浓度与击穿电压关系图【4 l 3 3 电致发光光强与少子寿命和少子扩散长度的关系 晶体硅太阳电池外加正向偏压时，电源向太阳电池注入大量非平衡载流子， 电致发光依靠注入的大量载流子不断复合而发光，这表明太阳电池电致发光光 强与载流子数目之间存在着某种关系。kr a m s p e c k l 5 1 等人给出了晶体硅太阳电 池电致发光光强s n 公式： = f b ( t , n , p ) 穆2 阶x p ( 警 式中b ( t n ，p ) 是载流子辐射复合率，n i 是本征载流子浓度，7 ( z ) 是电 子和空穴势能差在施加正向偏压前后的变化值，k 为波尔兹曼常数，t 为绝对温 度，z 是电池厚度。 由式( 3 7 ) 中可知，晶体硅太阳电池电致发光光强s e l 在施加偏压和温度恒 定情况下主要受b ( t ，n ，p ) 影响，而b ( l n ，p ) 主要依赖于过剩少数载流子浓 度。n + p 晶体硅太阳电池正向偏压下过剩少数载流子浓度分布如图3 - 9 6 j 所示， 多品硅太i ；几l 乜池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 正向偏压下总的过剩少数载流子浓度n 表达式【6 l 为： n = n p ( o ) e x p ( 一x il , ) d x f f i n p ( o ) l e ，z p ( o ) = ，z pe x p ( e v i k t ) 三p = 扣瓦 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式中n p ( 0 ) 为电池p n 结边缘过剩少数载流子浓度，i t 是少数载流子有效扩散 长度，w 是电池基区厚度，n p 平衡载流子浓度，d 。是少子扩散系数，t 是少数 载流子寿命。 因此，由式( 3 7 ) 、( 3 8 ) ，( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 式可知，在恒定温度下，晶体硅太 阳电池电致发光光强与少数载流子浓度和少子扩散长度( 或少子寿命的平方根) 成正比。同时当给电池施加的正向偏压增大时p n 结边缘过剩少数载流子浓度也 随之增多，因此电池发光强度随之增强。这就为我们利用太阳电池电致发光成 像来检查分析缺陷提供了理论依据。 i n j e c t i o nc a r r i e rd e n s i t y ：n l d i s t r i b u t i o ni np a c t i v el a y e r ) o v ffk t ) 一 1 rn u m b e r n ) 、x e x c e s sm 。i 二n o ：r i t y ! c a r r ：i e r d f - j e l n = n p ( 0 ) l 。羹 圻 0 s l 畔 儿。) 豳 图3 - 9n + p 晶体硅太阳电池正向偏压下过剩少数载流子浓度分布图1 6 i m 一秒n 一 翟 时t 一 柑t j - | - 烈 一 ；埘 | 扩 甫 ly e 第三章太阳电池工作原理及电致发光原理 3 4 利用晶体硅太阳电池电致发光成像检测仪检测电池缺陷的原理 3 4 1 正向偏压下利用电致发光成像检测缺陷的原理 由本章3 2 2 和3 3 节可知，晶体硅太阳电池在正偏下由于载流子的辐射复合 产生电致发光现象。硅材料的禁带宽带为1 1 2 e v ，其对应的带间辐射复合发光的 波长为l l o o n m 左右，但由于硅太阳电池材料会存在一定杂质缺陷而产生其他形 势的辐射复合，因此，其发光波长范围大概为8 5 肛1 2 0 0 i l m ( 如图3 - i 0 6 所示) 。在 恒压下，太阳电池电致发光光强反映了少数载流予的数目和少子扩散长度的大小 【5 6 , 8 1 ，这是由于硅太阳能电池存在内在缺陷( 位错、断层、漏电缺陷等) 处由于 载流子的复合后多余的能量以声子形势辐射出而转化为其他形势的能，如热能、 机械能等；而在外在缺陷( 电极脱落、断栅、电池微裂，花片等) 处由于偏压小 甚至未能形成偏压同样造成发光强度弱，也就是对应电致发光成像中灰度级低的 区域。因此晶体硅太阳电池正偏下的电致发光强弱处与其缺陷有着对应关系，使 用可探测波长范围为4 0 0 - 1 0 5 0 姗的c c d 相机对其电致发光进行快速成像，根据 电致发光成像的灰度级来检测分析硅太阳能电池的缺陷，成像中灰度级低的区域 表明该处存在质量缺陷【9 l 。 一 3 、 备 c o c w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 - 1 0 晶体硅太阳电池电致发光光谱图嘲 3 4 2 太阳电池反向偏压下电致发光成像检测缺陷的原理 由本章3 2 3 可知，当给晶体硅太阳电池施加一定高反向偏压时，太阳 3 7 多晶硅太阳电池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 电池电池无缺陷区域p n 结耗尽层将变宽，势垒将增大，电子和空穴无法越 过势垒区产生复合，因此太阳电池无缺陷区域不会产生电致发光现象；然 而对于太阳电池并联电阻小的区域也就是p n 结存在漏电流的区域，当反向 偏压接近预击穿电压时，由于杂质能级的存在使得载流子在高反向偏置电 场作用下产生碰撞离化最终载流子复合而发光，高反向偏压下的碰撞离化 发光波长一般在可见光范围而且发光强度较强。 因此，对于太阳电池高反向偏压下的电致发光成像来说，成像中灰度 级低的区域对应着电池无缺陷部分，而产生电致发光处则说明该处存在漏 电缺陷【l o l ，通过分析成像的灰度级就能有效检测出漏电缺陷。 3 4 3 温度对太阳电池不同类型缺陷处发光强度影响 半导体存在杂质缺陷的区域，在带隙中形成局域能级，其中某些较深、 在常温下处于亚稳态，可以作为导带电子或价带空穴的陷阱。在对材料进 行加热的情况下，使得陷阱中的电子获释并复合发光，这种发光称为热释 光l i l 】。因此，对于太阳电池存在内在缺陷( 位错、断层等) 的地方，随着 电池温度的升高，原来发光强度弱的地方会逐渐增强；而对于太阳电池存 在外在缺陷( 电极脱落、断栅、电池微裂，“花片”等) 处，由于这些缺陷 处未能形成偏压，即几乎无少子注入，因此，该缺陷处电致发光强度基本 不随温度改变【6 】。利用以上原理，我们可在检测过程中先在常温下对太阳电 池进行电致发光成像，然后给电池升温至5 0 - - 1 0 0 再进行电致发光成像， 然后通过升温前后太阳电池各处电致发光强度的变化来辨别电池缺陷属于 外在还是内在缺陷类型。 3 5 本章小结 本章主要讲述了太阳电池工作原理及晶体硅太阳电池电致发光原理。晶体 硅太阳能电池同其他半导体发光二极管一样，在正向偏压下会产生电致发光现 象，发光波长范围大概为8 5 0 - - , 1 2 0 0 n m 。晶体硅太阳电池正偏向电致发光强度正 比于少数载流子浓度、少子扩散长度，因此，利用s i c c d 相机对其电致发光 进行快速成像，成像中灰度级低的地方对应太阳电池存在缺陷的地方；晶体硅 太阳电池在施加一定反向偏压下，由于存在漏电处在反偏下容易产生预击穿， 从而产生碰撞离化发光，发光成像中狄度级高处对应的就是电池存在缺陷的地 方。不同类型缺陷处电致发光强度的变化受温度影响的程度不同，因此可利用 这点来区分电池缺陷所属类型。 多品硅太阳i 【l 池制绒和隐性缺陷的电致发光检测 参考文献 【1 】1 t a k a s h if u y u k i ，h a y a t ok o n d o ，y a s u eg a j i ，e ta 1 a n a l y t i cf i n d i n g si nt h ee l e c t r o l u m i - n e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o no fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s 【j 】j o u r n a lo fa p p l i e d p h y s i c s ，2 0 0 7 ，1 0 1 ：1 - 5 【2 】沈岂页华，朱文章半导体光电性质【m 】厦门大学出版社，1 9 4 4 【3 】葛葆硅，电致发光原理及应心【m 1 测绘出版社，1 9 8 5 【4 】s m s z e ，p h y s i c so fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 【m 】aw i l e y - i n t e r s c i e n c ep u b l i c a t i o n ，1 9 8 1 ，l a p ： 1 0 1 【5 】kr a m s p e c k ，kb o t h e ，d h i n k e n ，e ta 1 r e c o m b i n a t i o nc u r r e n ta n ds e r i e sr e s i s t a n c ei m a g i n g o fs o l a rc e l l sb yc o m b i n e dl u m i n e s c e n c ea n dl o c k i nt h e r m o g r a p h y j a p # p h y s l e t t ，2 0 0 7 ， 9 0 ：1 5 3 5 0 2 【6 】6t f u y u k i ，a k i t i y a n a n ，p h o t o g r a p h i cd i a g n o s i so fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l su t i l i z i n g e l e c t r o l u m i n e s c e n cp 】a p p l p h y s 2 0 0 9 ( 9 6 ) ：1 8 9 - 1 9 6 【7 】7 e w a nd d u n l o p ，d a v i dh a l t o n r a d i o m e t r i cp u l s ea n dt h e r m a li m a g i n gm e t h o d sf o rt h e d e t e c t i o no fp h y s i c a ld e f e c t si ns o l a rc e l l sa n ds iw a f e r si na p r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t j s o l a r e n e r g ym a t e r i a l s s o l a rc e l l s ，2 0 0 4 ，8 2 ：4 6 7 - - 4 8 0 【8 】d r e c k s c h m i df ，k a d e nt ，f i e d l e rh ，e ta 1 e l e c t r o l u m i n e s c e n c ei n v e s t i g a t i o no ft h ed e c o r a t i o n o fe x t e n d e dd e f e c t si nm u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o n ：2 2 n de u r o p e a np h o t o v