1、 摘要 晶体硅太阳电池缺陷分析与激光隔离 专业：材料工程 摘 要 本文以晶体硅太阳电池缺陷识别、分类与漏电消除为目标，针对企业产线 电池成品展开了一系列检测分析工作，并对漏电电池样品进行了批量隔离实验， 获得良好的效果。 本文第一章首先介绍了目前光伏行业的发展与太阳电池基本理论，第二章 将简要地介绍缺陷检测与激光隔离工作中使用到的各种检测技术原理及其设备， 包括太阳电池 IV 测试仪、红外热像检测系统、电致发光检测仪、光致发光检测 仪以及光诱导电流测试仪等检测手段，并介绍激光及其与材料的相互作用。 第三章将通过采用上述各种检测设备，对多厂家晶体硅太阳电池的等外品 进行较详尽的实验检测与统计分析
2、，并比较清晰地总结出 18 类对太阳电池产生 不同影响的缺陷类型，包括 7 类漏电缺陷与 11 类非漏电缺陷。本文还从多方面 对电池缺陷进行比较详细和清晰的阐述：归纳缺陷的定义与解释，总结出各类 缺陷在各种测试的特点，统计其对电池性能的总体影响，分析并推测各类缺陷 的来源与机理，以及提出相应的预防手段与避免方法。本工作最后还将对各类 缺陷进行统一归类，总结一套关于晶体硅太阳电池缺陷检测的评价标准与体系， 并提出多项经验总结，以作为批量缺陷检测的参考标准。 第四章将在电池缺陷检测分析的基础上，根据其修复价值挑选出部分漏电 电池样品，并采用 532nm 绿光脉冲激光器对其进行隔离修复。本工作先采用
3、正 交实验法进行激光工艺优化，再对漏电样品进行实质性隔离，并通过各种手段 表征隔离效果，测量刻槽的形貌，以及检测隔离后的损伤，为批量隔离实验做 准备。在激光工艺得到优化以后，分别对 20 片边缘漏电缺陷电池与随机挑选的 约 130 片各 类漏电电池进行小批量隔离实验。激光边缘隔离实验结果表明，对未刻边的常规多晶硅太阳电池样品进行激光边缘隔离工艺，效果非常明显，效 I 摘要 率可恢复到 17%，达到同批次电池的正常水平，一定程度上展现出激光边缘隔 离的优势。其它各类漏电电池将按漏电缺陷类型分成四组，各组激光隔离的结 果也显示与初步分析结果相似，展现出不同的修复价值，大部分样品在隔离后 效率平均提
4、高 1%以上，表明批量实验获得比较好的效果。 关键字 ：晶体硅太阳电池，缺陷检测，漏电缺陷，激光隔离 II Abstract Abstract The thesis aims at the defect identification, classification, and shunt elimination on crystalline silicon solar cells, developing a series of inspection and analysis on solar products from production line. Besides, good result
5、is acquired after the isolation experiment is carried out on the bulk of shunt samples. In Chapter 1 the development of Photovoltaic industry and the principle of solar cell are described. Chapter 24 demonstrates the main work, Analysis of defects and Renovation of laser isolation. Several technique
6、s on defect inspection and laser isolation, including IV tester, Thermography detector, Electroluminescence imaging, Photoluminescence imaging, Light beam induced current and Laser are introduced in Chapter 2. In Chapter 3, a mass of off-grade products from eight plants are detected, analyzed and su
7、mmarized in detail by means of each instruments described above, concluding 18 defects of different types in solar cells, including 7 shunt defects and 11 non-shunt defects. The thesis gives particular and clear demonstration on definition, characteristics, influence, source, mechanism and related p
8、revention means for each defect. Finally, classification and summaries are developed to build up an evaluation criterion for the defect detection, which would be the reference standard to defect detection in bulk. On the basis of detection and analysis of defects above, a portion of samples of shunt
9、 defects are chosen for the next laser isolation experiment. First, Orthogonal experiments are designed for the optimization of laser technology. Then, substantial experiments and characterization method would be carried out on the shunt cells, which shows some good results on elimination of shunt d
10、efect. Finally, about 150 III Abstract random shunt samples are chosen for laser isolation. The result shows that the edge shunt samples successfully recover to 17.2% efficiency from initial 15.4%, reaching the average level of the same batch. The four groups of random shunt samples show that more t
11、han a half of them are improved approximately 1% in efficiency. Key words: Crystalline Silicon Solar Cells, Defect Detection, Shunt Defects, Laser Isolation IV 目录 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 光伏产业的发展 . 1 1.1.1 效率与成本 . 2 1.2 晶体硅太阳电池 . 3 1.2.1 半导体理论 . 3 1.2.2 外电场作用下的 p-n 结 . 4 1.2.3 复合 . 5 1.2.4 太阳电池原理与结构 . 6 1
12、.2.5 电学参数 . 7 1.2.6 常规制备工艺 . 7 1.3 漏电 . 8 1.3.1 电学模型 . 8 1.3.2 漏电缺陷 . 9 1.4 研究背景 . 10 1.5 本论文工作 . 11 第二章 检测技术与设备 . 12 2.1 太阳电池 IV 测试技术 . 12 2.2 红外热像检测技术 . 14 2.3 电致发光与光致发光检测技术 . 16 2.4 光诱导电流测试技术 . 21 2.5 激光 . 22 2.5.1 激光原理 . 22 2.5.2 激光与材料的相互作用 . 24 2.5.3 激光工艺在太阳电池上的应用 . 26 第三章 缺陷检测与分析 . 27 3.1 检测方法
13、与流程 . . 27 3.1.1 实验样品 . 27 目录 3.1.2 检测方法与流程 . 28 3.2 结果与分类 . 29 3.2.1 漏电缺陷 . 31 3.2.2 非漏电缺陷 . 45 3.3 评价标准 . 60 3.4 小结 . 66 第四章 激光隔离修复 . 67 4.1 激光隔离工艺 . . 67 4.1.1 隔离原理 . 67 4.1.2 工艺理论 . 68 4.1.3 实验 . 70 4.2 实验分析 . 70 4.3 批量实验 . 76 4.3.1 边缘隔离 . 76 4.3.2 主要漏电隔离 . 80 4.4 小结 . 88 总结 结 . 90 参考文献 . i 致谢 谢
14、 . 中山大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 光伏产业的发展 随着化石能源不断减少和能源需求越来越大，新能源产业的兴起和发展迫 在眉睫。作为新能源产业的重要一员，光伏产业也担负着十分艰巨的任务，在 政策和市场的推动下，光伏产业面临着巨大的机遇和挑战。 1954 年，第一块太阳电池在美国贝尔实验室诞生，太阳电池进入应用时代。 1970 年代出现世界能源危机，人们开始把太阳电池应用从卫星转移到民用，从 而使太阳电池逐步走向商业化。进入 21 世纪以来，特别是中国的加入，光伏产 业发展尤为迅猛，太阳电池年产量快速增长，如图 1-1 所示， 2003 年全球太阳 电池年产量只有 764MW，根据权
15、威杂志 Photon International的最新调查结 果 1， 2011 年，太阳电池年产量已达到 37.2GW，增长 36%。从 2003 年起，增 长率基本保持在 34%以上。 图 1-1 全球太阳电池历年产量柱状图 年产量增长巨大，在目前各类太阳电池中，占市场主导地位一直是晶体硅 电池，其市场份额基本保持在 80%以上，其中多晶硅产量比例最多，占全部电 池总量的 53%。相比之下，晶体硅电池作为第一代太阳电池，技术日益成熟， 第二代太阳电池薄膜电池，目前产业化所占份额还比较少，第三代太阳电池基 1 第一章 绪论 本还在实验室研发之中。 自上世纪五十年代末，我国就有太阳电池方面的研
16、究，但其发展速度一直 滞后于国外。改革开放以后，我国开始引进国外先进的生产设备和技术，光伏 产业在国内得到了初步的发展。随着国内研究的逐步深入以及海外留学人才的 归来，我国的光伏队伍不断壮大，产业规模不断提升， 2000 年后正值欧洲市场 的迅速膨胀，在内外因素的共同推动下，我国的光伏产业不可阻挡地飞速发展， 2007 年成为全球最大的太阳电池生产国，并连续五年居世界第一， 2010 年我国 太阳电池产量为 13.5GW，约占全球产量 50%。 欧洲光伏产业协会（ EPIA）发布的最新统计报告显示 2， 2011 年全球新增 光伏装机量达到 27.7GW，同比 2010 年增长 70%，到 2
17、011 年年底全球累计光 伏装机达到 67.4GW。欧洲地区继续成为全球主要市场，占据了全球新增光伏 装机的 75%。意大利超过德国成为全球装机 量最大的国家，新增安装量达到 9GW。我国年装机量也逐渐提高， 2011 年国内新增装机量已超过 2GW，在各 种政策的推动下，我国市场潜力巨大，不久将成为主要的光伏市场之一。 1.1.1 效率与成本 效率与成本是光伏产业发展的两大关键要素，高效率、低成本一直是光伏 界奋斗的目标。根据 Martin A. Green 等人的最新调查，各类太阳电池的最高转换效率 3如表 1-1 所示。 表 1-1 地面上经确定的太阳电池转换效率列表（标准测试条件下）
18、种类 效率 (%) 面积 (cm 2) 研制单位 单晶硅太阳电池 25.00.5 4.00 新南威尔士大学 多晶硅太阳电池 20.40.5 1.002 弗朗霍夫研究所 砷化镓薄膜太阳电池 28.30.8 0.9944 阿尔塔设备公司 19.60.6 铜铟镓硒太阳电池 0.996 国家可再生能源实验室 碲化镉太阳电池 16.70.5 1.032 国家可再生能源实验室 非晶硅太阳电池 10.10.3 1.036 欧瑞康太阳能实验室 纳米晶硅太阳电池 10.10.2 1.199 日本钟渊公司 染料敏化太阳电池 11.00.3 1.007 夏普 有机薄膜太阳电池 10.00.3 1.021 三菱化工
19、2 中山大学硕士学位论文 目前，光伏技术发展速度比较稳定，晶体硅太阳电池的转换效率平均每年 以 0.4%-0.5%的速度提升。在国内，单晶硅太阳电池转换效率平均约达到 18.5%，多晶硅也平均达到 17%以上。另外，每家大企业都拥有自己的专有技术，例如，三洋公司量产的 HIT 电池采用异质结本征薄层的结构，最高达到 23.7%的转换效率，在光伏市场上倍受青睐；尚德的 “冥王星 ”电池采用类似新南威尔士大学的 PERL 电池结构，在今年年初实现了 20.3%的转换效率；晶龙的 “赛秀 ” 最高效率达到 19.2%、保利协鑫 “鑫单晶 ”、英利 “熊猫 ”等电池技术都平均达 到 18.5%以上的转
20、换效率。 效率往高处提升，成本往低处下降，低成本的光伏发电是晶体硅太阳电池 发展的趋势。据资料统计，光伏组件成本约占光伏发电系统的 50%-60%，太阳 电池约占组件成本的 60%-70%，电池成本中多晶硅材料占 30%-40%，因此，要 降低光伏发电成本，必须使太阳电池成本降下来，而材料就是其中的一个重要 部分。 低成本的实现主要包括优化制备工艺、降低材料成本、改进电池结构、开 发新型材料、提升组件寿命以及减少性能损失等途径。在目前行业产能过剩组 件滞销的状况下，多家企业甚至报出 0.8 美元 /Wp 以下的组件价格，虽然不是 正常价格，但可以确定光伏发电成本已经逐步降低，只要国内政策支持与
21、市场 打开，光伏发电就到了可以跟火电、水电竞争的阶段。 1.2 晶体硅太阳电池 1.2.1 半导体理论 对于同质结半导体， p 型半导体与 n 型半导体结合在一起，两种半导体内 部杂质分布不同， p 型半导体空穴浓度高， n 型半导体则电子浓度高。由于扩散 作用，在交界处， p 型半导体的空穴向 n 型流去，剩下来的只有带负电荷的电 离受主，而 n 型半导体的电子则向 p 型流去，只剩下带正电的电离施主，从而形成了由 n 型正电荷区指向 p 型负电荷区的内建电场 qVD。如图 1-2（ a）所示。 3 第一章 绪论 图 1-2 p-n 结 4 在内建电场下，载流子将作漂移运动，方向与扩散运动方
22、向相反，这样随 着扩散运动的进行，内建电场将增强，同时漂移运动也将增强，在这两种运动 作用下，内部将达到动态平衡。这就是平衡状态下的 p-n 结。 1.2.2 外电场作用下的 p-n 结 平衡状态下的 p-n 结，流过 p-n 结的净电流为零，内建电场稳定。当外偏置 电压的情况下，平衡状态被打破，内建电场改变，流过 p-n 结的扩散电流与漂 移电流将不再相等。 若加 VF 正向偏置电压， p 区接正 n 区接负，则偏置电场方向与内建电场方 向相反，内建电场减弱，空间电荷区将变窄，势垒降低到 q（ VD-VF）。原来的 扩散电流将增加，漂移电流将减小。 n 区的电子将涌向 p 区聚集在边界， p 区的 空穴也流向 n 区成为非平衡载流子。这些载流子将继续向 p-n 结两端扩散，并 不断与该区的多数载流子复合，并在一定的距离后完全复合。这种加正向偏置 电压产生非平衡载流子的情况称为电注入。 4
