在大規模應用和工業生產中,晶硅太陽能電池占主導地位，其在制造過程中通常采用制絨、擴散、刻蝕、PECVD、印刷、燒結幾道工序，由于一些機械應力、熱應力及人為等不穩定因素的存在，會不可避免的造成硅片的一些隱性缺陷如污染、裂紋、擴散不均勻等，這類缺陷的存在大大降低了電池片的光電轉換效率，導致公司增加經濟損失。利用多種測試設備如EL、PL、corescan等檢測硅片、半成品電池及成品電池存在的各種隱形缺陷，改善工藝參數，降低產品的不合格率，為公司提高成品率，大大的降低成本。

　　2.1光致發光（PL）
　　PL是檢測原材料的有效方法，如Fig.2-1所示，以大于半導體硅片禁帶寬度的光作為激發手段，激發硅中的載流子，當撤去光源后，處于激發態的電子屬于亞穩態，在短時間內會回到基態，這一過程中會釋放波長為1100nm的光子，光子被靈敏的CCD相機捕獲，得到硅片的輻射復合圖像[1]。

　　Fig.2-1光致發光

　　2.2電致發光（EL）
　　EL與PL工作原理相似，但不同之處在于激發非平衡載流子的方式不同，即在電池的正向偏壓下，注入非平衡載流子（Fig.2-2）。

　　Fig.2-2電致發光

　　2.3微波光電導衰減法（u-PCD）
　　u-PCD主要包括904nm的激光注入產生電子-空穴對（Fig.2-3a），導致樣品的電導率增加，當撤去外界光注入時（Fig.2-3b），電導率隨時間指數衰減，這一趨勢間接反應少數載流子的衰減趨勢，從而通過微波探測電導率隨時間變化的趨勢得到載流子的壽命。

　　Fig.2-3a激光激發

　　Fig.2-3b微波探測

　　2.4方塊電阻掃描（SHR）
　　SHR測試探頭在中心有一個激光源（Fig.2-4），緊跟著有兩個同心圓環形電容電極，激光的頻率可以調整。激光注入產生電子空穴，內建電場將電子空穴分離，將產生表面勢，表面勢反映了SHR信號并且向橫向擴散，內外探頭獲取表面勢。硅片的方阻通過在兩個電容電極測量電勢的比率計算。

　　Fig.2-4SHR

　　2.5串聯電阻掃描（Corescan）
　　Corescan的掃描頭包含一個光源和金屬探針（Fig.2-5），掃描過程中，將電池片短路連接,掃描頭以固定的掃描間距、速度移動，光源照射在電池片上產生光生電流，同時金屬探針在電池片表面劃動，測量光照位置的電壓值，電壓值即表征了電池片正面的串聯電阻的大小。

　　Fig.2-5Corescan

　　3.1原材料缺陷
　　原材料的優劣影響電池片的光電轉換效率，有效的檢測原材料的優劣，降低原材料的不合格率，能夠直接減少經濟損失。Fig.3-1所示為“黑芯片”的PL圖片，在光照條件下，黑色區域存在大量的缺陷，它們起到復合中心作用，使得載流子在此處復合時發出較弱的光，而溫場不均勻造成的位錯或雜質氧沉淀導致黑芯片的產生，其電池片的電性能一般顯示為Irev、Rs略高、Rsh較正常，Voc稍低，只是Isc明顯偏小。

　　Fig.3-1黑芯片

　　Fig.3-2a為“四角黑”電池片的EL圖片，腐蝕掉正背面電極、氮化硅、PN結后測試其少子壽命，如Fig.3-2c所示，從圖中可看出，電池片黑角區域的壽命相對正常區域嚴重偏低，說明此處存在大量的缺陷，可能原因是硅棒在拉制過程中，外層有污染或有晶體缺陷產生，而導致硅材料的性能下降。一般電池片的電性能顯示為Voc稍低，Isc明顯偏小，其余性能參數較正常。

　　Fig.3-2四角黑

　　從附表1的IV數據可以看出，整體暗電池片的Voc比正常片低了12mv，通過Fig.3-3的EL圖像（同一亮度）可以明顯看出兩片電池片的差異。腐蝕兩片電池片的氮化硅薄膜、正背面電極、電場及PN結后測得整體暗的電池片平均壽命為8.76us，而正常片的平均壽命為11.45us（Fig.3-3c、d），原材料中含有過多的雜質導致復合增加是造成Voc偏低的主要原因?！　?strong>
　　
　　Fig.3-3整體暗

　　3.2工藝誘生缺陷--滑移位錯
　　當溫度在大約900℃以上時，硅晶體的屈服極限降低，晶體中位錯有可能發生運動而引起塑性形變。擴散、熱氧化等過程都是在900-1200℃范圍內進行，硅片在加熱或冷卻過程中，由于各處受熱或冷卻不均勻而產生溫度梯度，熱膨脹情況各處不同，繼而產生熱應力。當晶體中的熱應力超過其彈性極限時，產生位錯，位錯通過位錯源發生增殖，最終產生滑移線。位錯源包括：a、晶體表面的機械損傷和微裂紋；b、雜質或O-Si的原子集團，旋渦帶；c、摻雜劑的局部聚集等。一般而言，熱應力在硅片的邊緣比較大，因此邊緣的滑移位錯比較明顯，然后向中心蔓延，嚴重時可以出現星形結構[2]如Fig.3-4a,Fig.3-4b為出現星形結構硅片的u-PCD掃描結果，Fig.3-4c、d為生產過程中出現滑移線的電池片EL圖像。降低溫度梯度減少熱應力的產生是降低滑移位錯產生的有效方法之一。

　　Fig.3-4滑移位錯

　　3.3工藝異常
　　3.3.1擴散異常
　　擴散制結為電池片制造過程中的核心步驟，P-N結的質量直接影響電池片的轉換效率，結淺，電池片短波響應好，但會引起Rs增加；結過深，死層較明顯，如果擴散濃度太大，則引起重摻雜效應，使電池開路電壓和短路電流均下降，因此太陽電池的結深一般控制在0.3～0.5mm，方塊電阻在50W/□左右。附表2為失效電池片的IV數據，由Fig.3-5b圖可知電池片左下角黑色區域的電壓高達440mV，腐蝕掉正面電極及氮化硅薄膜后掃描方阻（Fig.3-5c）后明顯看出黑色區域的方阻比其他區域偏高，導致此區域與現有燒結工藝不匹配而沒有形成良好的歐姆接觸產生較大的Rs值。

　　Fig.3-5擴散異常

　　3.3.2鍍膜異常
　　鋁背場（BSF）能夠降低電池片背面的少子復合，提高少子擴散長度；反射長波段光子，提高長波段的光譜響應，最終提升電池片的光電轉換效率。由附表3可知此電池片有很低的Voc和Isc，從Fig.3-6a、b可知鋁背場出現異常，腐蝕掉鋁層后發現（Fig.3-6c）電池片的背面的90%以上的區域含有氮化硅薄膜，由于電池片采用管式PECVD鍍膜方式，在舟中兩片電池片背靠背放置，由此可知電池片在鍍膜過程中，其中一片脫落或破碎，導致此片電池背面被鍍膜，背面由于氮化硅的存在，使得經過絲網印刷后電池片在燒結過程中無法形成鋁背場，且鋁電極也無法與硅形成良好的歐姆接觸，最終形成此類低效電池片。

　　3.3.3燒結異常
　　附表4是電池片的IV數據，可以看出其Rs非常高，Fig.3-7為電池片的各種測試結果，通過掃描corescan（Fig.3-7b）得知缺陷處的電壓高達150mV，腐蝕后測試其方塊電阻
　　（Fig.3-7c）發現缺陷區域與正常區域的方阻值沒有明顯的差異，此電池片的漏電流大約為1.23A，漏電的主要位置從Fig.3-7d可以看出，其原因是電池片此區域存在異物如Fig.3-7f所示，異物高度大約為3um，因此過高的燒結溫度及表面異物污染導致較大的反向漏電流造成低效片的產生。

　　Fig.3-7燒結異常

　　EL和PL的區別上文中已經提出，即EL通過電池的電極注入載流子而PL不通過電極注入載流子，因此如果電池片存在嚴重的燒結異常（Fig.3-8b）時，通過EL無法檢測出其他異常，但結合PL則可以檢測出除燒結異常外的其他缺陷（原材料缺陷Fig.3-8a、指紋印、隱裂等），因此在檢測電池片的過程中，EL結合PL能夠起到事半功倍的效果。

　　Fig.3-8PL結合EL

　　3.3.4印刷異常
　　良好的印刷質量,能夠減少金屬電極與硅片間的接觸電阻，影響電池的填充因子、短路電流和光電轉換效率，斷柵、印刷不均勻都會導致線性電阻增大，降低轉換效率[3]。
　　Fig.3-9a為存在大量斷柵的電池片的EL圖片，IV數據如附表5，可以看出斷柵處顯示為黑色，說明此處沒有電流通過導致響應變差，Fig.3-9b是斷柵區域某根柵線的局部放大圖片。

　　Fig.3-9斷柵

　　本文討論了原材料及電池片生產過程中的常見缺陷及異常現象，并利用各種測試設備的檢測結果簡單分析了缺陷及異常現象的成因，針對分析結果改善工藝條件，以減少產品的不合格率，為公司降低成本減少損失。

　　參考文獻：
　　[1]嚴婷婷，張光春，李果華等2010光致發光在Si基太陽能電池缺陷檢測中的應用半導體技術第35卷454-457
　　[2]孫以材1984半導體測試技術第一版（北京：冶金工業出版社）85-89
　　[3]孫志清，高昌祿2011影響晶體硅太陽電池柵線印刷的兩個因素太陽能38-39