整合成像检测技术分析太阳电池缺陷区的性质-AOIEA自动光学检测.PDF

整合成像檢測技術分析太陽電池缺陷區的性質 劉宗平 温尚燁 彭成瑜 元智大學 元智大學 、工研院綠能所 工研院綠能所 eecpliu@saturn.yzu.edu.tw s995607@mail.yzu.edu.tw pengcy@itri.org.tw 摘要 為了確保太陽能電池組件的品質和壽命，它們必須通過一系列的測試來檢查。當太陽模組使用一段時 間之後，常用的檢測技術不易分析模組上缺陷區性質對發電效率所產生的影響。 在此研究中，因為電致發光技術具有的特性，如大面積成像，響應速度快，靈敏度高，和局域高分辨 率，因此它常被用來檢測太陽電池模組上的缺陷區域，加以鑑定其特性。最後，將電致發光圖像結合 等效LED 電路模型，來計算電子傳輸所造成太陽能電池的串聯電阻。 關鍵字：電致發光，缺陷，串聯電阻 壹、前言 近年來受到太陽能產業的蓬勃發展，在學術界太陽能領域也是一門相當受到重視的研究題目之一。矽 晶太陽電池的表現主要受到其元件物理特性中的幾個重要參數影響，這包括複合速率 (recombinationvelocity, RV) 、載子生命週期(minority carrier lifetime, 0 ) 、串聯電阻(series resistance, Rs) 、並聯電阻(shunt resistance, Rsh)與寄生二極體特性(parasitic diode characteristics) 。 而在太陽能電池生產過程中，為了能夠確保電池的品質與壽命，因此需要通過一定的測試及檢驗。目 前常用的檢測主要分為兩部分：電性檢測、外觀缺陷檢測；然而在太陽電池中的微裂(micro-crack) 、 斷線等缺陷，卻大多無法在測試中檢出，然而此類缺陷在太陽電池使用一段時間後，會對發電效率產 生不良的影響。 2008 年發表的太陽能模組之品質性能試驗失效統計，依據規範IEC 61215(edition 1-1993)與IEC 61215 (edition 2-2005) 做測試，統計時間為分別為1997-2005 與2005-2007 ，所得到濕漏電流試驗分別為5% 與2% 、旁路二極體發熱試驗為31%與4% 、濕熱試驗為29%與8% 、濕冷試驗為12%與0% 、熱循環試驗 為11%與6% ；由測試中可以知道太陽能模組在使用二十至三十年的品質是相當重要。 太陽能電池的隱裂若低於電池面積的8％，其對功率造成的影響不表現在太陽能模組或系統上。但若 電池的缺陷區域佔整個模組約12％-50％之間，功率損失近線性增加，而失效來源可能為模組材料熱 膨脹係數不同產生電池熱應力隱裂，由環境或外力造成電池受壓力變形破裂，這些影響因素嚴重影響 模組壽命。 因此本文利用螢光光譜影像檢測技術檢測矽基太陽電池與模組的缺陷特性，矽基半導體材料會因電池 與模組的缺陷發出不同的近紅外光螢光光譜，再利用電荷耦合元件(charge coupled device, CCD)擷取螢 光影像，這種方法能夠快速且高靈敏的檢測太陽電池與模組缺陷。 螢光光譜影像檢測技術可以大致分為三類。 一、 外加順向偏壓的電致發光(Forward Electroluminescence, FEL) 二、 外加逆向偏壓的電致發光(Reverse Electroluminescence, REL) 三、 光致發光(Photoluminescence, PL) 利用不同操作方法所得到的螢光影像配合電荷耦合元件量測之影像強度能夠分析太陽電池的物理特 性、網印缺陷、電極缺陷、隱裂與破裂缺陷、傳導不良缺陷，螢光光譜影像檢測技術可應用於太陽電 池的區域特性檢測與產品品質管控。 1 圖1 電致發光與可見光各種缺陷影像比較 在太陽能電池的製作中，會因為許多原因而產生各種缺陷，為了能夠確保材料的品質和電池在製作後 的性能，需要監測少數載子的生命週期、擴散長度、電阻、漏電流等重要的參數，同時為了能夠在整 個生產過程中監控產品的品質，需要使用快速且能夠應用在產線上的影像技術，像是螢光光譜影像檢 測技術而逐年上升的研究文章數目，也說明了影