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采用聲學(xué)顯微鏡確保太陽能電池的可靠性

鉅大LARGE  |  點擊量:699次  |  2020年03月18日  

制造過程中光學(xué)不可見的異常和缺陷降低太陽能電池板的質(zhì)量,要采用聲學(xué)顯微鏡來進行成像和分析,從而可在量產(chǎn)開始前修改工藝來減少缺陷,或確保在生產(chǎn)中沒有引入缺陷。


為了達到最高的效率,太陽能電池板制造商下了大力氣。在設(shè)備安裝初期,效率必須要高,在安裝好以后,太陽能電池系統(tǒng)即使經(jīng)受熱應(yīng)力及其他惡劣環(huán)境,也須保持多年的高效率。


太陽能電池板的質(zhì)量可能會由于出現(xiàn)于制造過程中的異常和缺陷而降低。在硅太陽能電池板中,典型的缺陷有裂紋、分層或氣孔。起初,缺陷對效率可能只有很小的影響,在制造商進行電學(xué)測試或閃光測試時,它們的影響顯得微不足道。然而,在太陽能電池板的使用過程中,這些缺陷可能會長大,一直到效率明顯地降低。


尋找這些光學(xué)不可見的缺陷是非常重要的,因為他們是裝配過程中的缺點的證據(jù)。例如,在硅片里面的裂紋,它們很細小以至于不能通過視覺觀察,但是由于硅是硬性的,所以當(dāng)太陽能電池板正常使用被暴露在太陽底下時,熱循環(huán)會使這些缺陷長大。


在過去的兩年中,采用聲學(xué)顯微鏡來成像和分析太陽能電池及面板中的缺陷,這方面的發(fā)展相當(dāng)迅速。聲學(xué)顯微鏡在非破壞性成像上具有很長的歷史,它的應(yīng)用包括封裝的集成電路、粘接晶圓和其他微電子器件,這些樣品在材料和層狀結(jié)構(gòu)上都和太陽能電池及面板很相近。


聲學(xué)成像的目的是在設(shè)計階段、樣品階段或早期生產(chǎn)時找到異常和缺陷,從而在量產(chǎn)開始之前修改工藝來減少缺陷。聲學(xué)成像在量產(chǎn)中也會被用到,來確保在生產(chǎn)中沒有引入缺陷。通過這種方法就可以獲得設(shè)計在產(chǎn)品中的高效率。


聲學(xué)顯微鏡采用了一個超聲波傳感器來掃描感興趣的區(qū)域,發(fā)送超聲脈沖進入樣品,然后接收從樣品內(nèi)部返回的回聲。在這些產(chǎn)品材料中,超聲波的速度很快,所以在掃描時傳感器一秒內(nèi)可以發(fā)射數(shù)千個脈沖,同時接收數(shù)千個回聲。從每個有脈沖的地方得到的聲學(xué)數(shù)據(jù)就是在聲學(xué)圖像中成千上萬個像數(shù)中的一個。


感興趣的區(qū)域或大或小。掃描時一般只會牽涉到單個電池片,但是最近Sonocan有報道,現(xiàn)有的自動聲學(xué)顯微系統(tǒng)可以很容易地完成數(shù)米長的面板的掃描。用來出現(xiàn)像數(shù)的回聲只來自電池片或面板內(nèi)的材料界面,例如玻璃封蓋和硅片之間的界面。這個玻璃-硅界面包含了非常薄的光學(xué)粘接劑,所以它實際上包括了兩個材料界面。


到達傳感器的回聲來自于電池片或面板內(nèi)不同深度。為了只對感興趣的深度進行成像,因此一些回聲會被棄用。假如玻璃-硅界面正好是感興趣的深度,從更深區(qū)域(如硅與基底的接觸)返回的回聲將會被排除,也不會在聲學(xué)圖像上顯示。在聲學(xué)顯微的詞匯中,回聲會在玻璃-硅界面上被選通(gated)。通過選通更深的區(qū)域和忽略來自玻璃-硅深度的回聲,更深的區(qū)域可以單獨成像。為了實現(xiàn)測試,選通可以非常精確,例如只成像玻璃和光學(xué)耦合劑部界面,而不包含光學(xué)耦合劑底部和硅界面的圖像。


圖1.硅電池和玻璃與硅間的粘接劑之間不規(guī)則的氣孔的聲學(xué)圖像。


圖1是一個電池片局部區(qū)域的高度放大的聲學(xué)圖像。為了獲得圖像,回聲被選通在玻璃和硅的界面,包括了玻璃和硅之間的粘接劑。


三條水平的暗線是導(dǎo)線。不規(guī)則的白色區(qū)域是分層,可能位于粘接劑底部和硅之間。它們看起來很亮,這是應(yīng)為反射的超聲波很強,返回的回聲信號有很高的放大倍數(shù)。分層似乎有擴張,在擴張過程中,它們被硅上的金屬導(dǎo)線限制。同一個電池片中的其他分層具有同樣的圖形,所以分層很有可能位于光學(xué)粘接劑和硅之間。


這些分層都很小,在目前的狀態(tài)下它們對效率和可靠性只有很小的影響。但是測試說明粘接劑-硅界面易受分層的影響。假如更多的電池片或面板也顯示了相似的分層,那么尋找分層的成因就很有意義。在大尺寸上,這樣的分層會降低太陽能電池的效率,因為他們不僅反射超聲波,還反射太陽光,因此會降低到達硅的太陽光的強度。


圖2.導(dǎo)電條較暗區(qū)域與硅之間有粘接;白色區(qū)域沒有粘接。


在圖2中,水平的特點圖像是導(dǎo)電條,或者更精確地說是導(dǎo)電條和硅之間的界面。箭頭指向?qū)щ姉l右端尾部的那部分界面非常暗,表明回聲具有較低的放大倍數(shù),來自于兩種材料間粘接較好的地方。但是大多數(shù)導(dǎo)電條和硅之間的接觸區(qū)域都很明亮,意味著它們之間根本就沒有接觸。在工作時,這種未連接可能導(dǎo)致導(dǎo)電條過熱而失效。


圖3.聚光電池和基底間的氣孔會導(dǎo)致電池過熱而失效。


圖3是一個硅電池與粘接硅電池的基底間界面的聲學(xué)圖像,這是一個聚光型電池,透鏡把輸入光聚焦到一個高效電池上。在硅和基底間有一層膠粘劑,所以聲學(xué)圖像包含了三種材料和兩個界面,還顯示了粘接的情況。


紅色的特點圖像是膠粘材料中的氣孔。氣孔是非常有效的熱絕緣材料。在聚光系統(tǒng)中,散熱關(guān)于非常熱的電池及其重要。而這里的氣孔會阻礙電池的散熱。氣孔導(dǎo)致電池局部過熱,而電池中熱分布不均可能會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。


圖像的自動分析顯示,氣孔占粘接區(qū)域5.48%的面積。在右下方扇形區(qū)域中,氣孔更是占到11.69%。這個區(qū)域足以把該電池歸類為一個缺陷電池。氣孔可能會隨著熱循環(huán)而膨脹,但電池首先會過熱而燒掉。


圖4.在聲學(xué)圖像中,大多數(shù)硅和金屬焊墊間的焊縫都看不見。另外,硅中存在一條曲線形的裂紋。


在圖4中,回聲被關(guān)閘在矩形的金屬球墊上,而這些金屬球墊及它們之間的連線被粘接到電池上。兩個金屬球墊應(yīng)該各有四個焊接點。右邊的金屬球墊有一個完整尺寸(黃色箭頭所示)和一個尺寸較小的焊接點;而左邊的金屬球墊只有微量的焊接點,所以這樣一個設(shè)計在太空應(yīng)用中是一個廢品。另外,金屬球墊上面的硅中有一個裂紋(紅色箭頭)。


以上展示的聲學(xué)圖像說明了一些在太陽能電池板制造過程中可能出現(xiàn)的很常見的異常和缺陷。早期發(fā)現(xiàn)這些問題能使這些昂貴的失效在電池工作中更少發(fā)生。


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