光伏电池 第2部分：晶体硅光伏电池电致发光图像 征求意见稿

1GB/TXXXXX—202X光伏电池第2部分：晶体硅光伏电池电致发光图像本文件规定了利用正向偏压下晶体硅(c-Si)太阳电池的电致发光(EL)图像，以检测电池片缺陷的方法。本方法为采集未封装的c-Si太阳电池电致发光图像提供了指南，并明确了EL图像可以检测出的各种缺陷，以及检测并区分这些缺陷的不同方法。当单一的EL图像不能对某一类型的缺陷提供结论性信息时，建议综合使用其他方法。某些电池具有特有的EL特征，当采用这些电池制成组件时，可能会带来一些潜在的风险，本文件为此提供了相关的信息。本文件适用于晶体硅太阳电池领域，也适用于其它晶片太阳电池。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1224-2016几何光学术语、符号GB/T12604.9-2021无损检测术语红外热成像GB/T13962-2009光学仪器术语IEC60050（所有部分）国际电工术语（InternationalElectrotechnicalVocabulary）IECTS60904-13：2018光伏器件第13部分：光伏组件的电致发光（Photovoltaicdevices-Part13:Electroluminescenceofphotovoltaicmodules）IECTS61836：2016太阳光伏能源系统术语、定义和符号（Solarphotovoltaicenergysystems-Terms,definitionsandsymbols）IECTS62446-3光伏系统-测试、文档和维护要求第3部分:光伏组件和设备-户外红外热像记录法（Photovoltaic(PV)systems-Requirementsfortesting,documentationandmaintenance-Part3:Photovoltaicmodulesandplants-Outdoorinfraredthermography）3术语和定义GB/T1224-2016、GB/T12604.9-2021、GB/T13962-2009、IEC60050和IECTS61836界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1电致发光EL在半导体器件上施加正向偏压，而引起的受激载流子的辐射复合导致的发光。3.2开路opencircuit在二端口电路中，端口之间未连接的电通路。注1：当电池有缺陷或损坏且连接到外部电路时，在电池和外部电路连接点上无电流通过，此时电池是“开路”状2GB/TXXXXX—202X注2：当一个或者所有电池未连接到电气终端，或者电流未按照IECTS61836：2016中第3.4.56条中规定的方式流3.3正向偏压forwardbias提供电流的电源的“+”、“-”极通过导线各自连接到太阳电池具有相同极性的一端。3.4动态范围dynamicrangeDR动态范围是最大输出信号水平与本底噪声之比。注：本底噪声是黑色图像中的均方根噪声水平。3.5锐度sharpnessSEL图像上从最暗的黑色到比最亮的白色高出50%对比度的最小实际尺寸，单位为毫米。3.6灰度值gray-scalevalue用来定义最亮的白与最暗的黑之间的不同级别的数值。注：EL图像会得出整个图像灰度的加权平均值。3.7调制传递函数modulationtransferfunctionMTF输入图像与输出图像对比度之比。4成像4.1装置4.1.1概述图1为EL成像系统的典型配置。此系统包括具有合适透镜或滤光片的相机，连接被测样品的电源，暗房和计算机。相机用于接收被测样品发出的EL信息，电源用于被测样品的电流注入，暗室用于减少环境光的影响，计算机用于控制整个EL成像系统。常规测试时，被测样品在暗室中以正向偏置注入电流，电流大小与AM1.5G下短路电流相似。由此产生的辐射复合激发出被测样品的光信号，此光信号可被相机捕获。3GB/TXXXXX—202X图1EL成像系统的典型配置4.1.2EL成像相机4.1.2.1相机相机通常是由电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体器件(CMOS)组成的光传感像素，它们排列在一个焦平面阵列中。——为了获得更好的信噪比(SNR)，可以通过减少由热产生的电荷导致的器件暗电流，实现对器件进行冷却，通常使用热电冷却方法；——相机中的半导体吸光材料应对被测样品的EL信息敏感；——对于晶体硅，相机应在900nm和1100nm的波长范围内敏感，并能够达到45或更好的SNR50，具体参照IECTS60904-13中4.3中的详细方法；——SNR50低于45的图像不应进行定性解释；——所获得图像的确定信噪比SNR应按第6章的规定进行报告。图2多晶硅太阳电池SNR50为45的图像4.1.2.2透镜透镜应符合但不限于以下要求：——透镜不能设有被测半导体材料带隙附近对应红外光波段的吸收滤光片或吸收涂层；对于晶体硅而言，900nm到1100nm波长的光不应被滤光片或涂层吸收而衰减；——光学玻璃一般适用于硅基太阳电池的测试；——镜头的焦距从长焦到广角不等，应根据捕获图像时的特定应用和几何因素进行选择。短焦距的广角镜头与更高分辨率的相机结合使用，可以获得更大的视场；——当空间有限时，相机宜放置在更靠近被测电池的位置；——当广角镜头导致图像桶形畸变时应通过后期处理进行图像校正；——长焦距的透镜通常有较少的筒形畸变，可以更准确地对电池进行拍照，在这种情况下图像可能不需要通过后期处理校正；——镜头可以具有校正可见光和红外波长差异的部件，该部件有利于聚焦。注：镜头通常有可调节的光圈，通常用f值表示。忽略光传输效率的差关；一种是由于镜头导致的像差效应；另一种是由于光的波动特性导致的衍射效应。使用较小的f值时，广角4GB/TXXXXX—202X4.1.2.3过滤器相机镜头上的滤光片可用来过滤多余波长的光。对于接近硅带隙的材料的EL成像，可以使用850nm以上的长通滤光片。4.1.3暗室成像环境暗室成像环境应符合以下要求：——暗室环境有利于高质量的成像，测试宜在暗室环境中进行；——暗室内应采用硬墙、窗帘、挡板等避免杂散光进入，也可以用黑色吸光性材料密封缝隙；——若在相机上使用了滤光片，则允许使用LED照明，发出能被滤光片过滤的光；——若存在杂散光，应进行图像相减程序处理，详见4.1.5.2。4.1.4电源在被测电池的标准测试条件(STC)下，应有一个能施加等于短路电流(Isc)的直流电源。精度应优于±2%。电池端引线的电压降应小于2%。4.1.5图像处理和显示软件4.1.5.1图像色彩分配图像中最低的EL信号用黑色表示，最高的EL信号用白色表示。但是，除不可避免的情况(见4.2.3.4)外，有效电池区域的图像数据不应存在上限，以避免探测器过饱和。若使用伪色标度，应选择合适的伪色标度范围，以使每个级别颜色都被指定一个特有的伪色，避免产生图像特征的误解。4.1.5.2软件功能4.1.5.2.1软件应该生成计数与EL信号水平的直方图，以定量地解释观察到的特征图像。4.1.5.2.2图像后处理的基本软件功能宜包括以下内容:——信号值范围调整:应避免非线性对比度优化(例如伽马校正)；——将图像裁剪到感兴趣的区域(见4.2.2.2)；——在图像上任何给定点的EL信号值的确定；——帧减:从暗电流或杂散光中均匀地消除噪声信号，例如在电池无电时消除信号。IECTS60904-13的4.1.5.2章节中的软件功能给出了一个如何消除背景噪声的示例；——无用像素去除；——单时间效应；——桶形畸变；——渐晕；——平行度校正(通常对以非正交入射角拍摄的图像进行整形)。4.2测试过程4.2.1测试条件4.2.1.1为确保前后测试的一致性，应在晶体硅光伏电池温度为23℃~27℃的条件下进行测试。4.2.1.2温度测量应使用精度为±1℃和重复性为±0.5℃的红外测温仪。5GB/TXXXXX—202X4.2.1.3在同一温度范围内拍摄的图像才可以进行定量对比分析，以确定电池的衰减或电池间的差异(见4.2.2.5)。的温升情况可以从施加的电源总功率和电池体积4.2.2相机设置与定位4.2.2.1入射角相机相对于待成像电池表面的入射角宜为法线(0°)，并应小于50°,若角度大于50°,应调整发射率。入射角一般应在电池向光面进行成像。对于双面电池，也可以在非向光面成像。4.2.2.2清晰度测定清晰度依赖于像素尺寸，为了识别缺陷，应使获取图形的清晰度小于0.5mm，但较小的电池缺陷，比如电池副栅线或局部缺陷，可能需要更高的清晰度才能获得清晰成像。IECTS60904-13：2018中4.2.3条款规定了一种确定图像清晰度的方法。4.2.3相机设置4.2.3.1通用要求常规测量时，正向偏置电压下的相机图像强度，可以通过如下方式进行优化：——调整总曝光时间；——调整光圈(增益，f值)；——在对被测电池类型进行调查后通过增益调整保持一致。4.2.3.2相机推荐设置(焦距,增益,f值)4.2.3.2.1相机应在可见光下进行粗略聚焦，精细聚焦应对成像红外信号的波长进行优化，可通过使用红外校正镜片来简化实现精细聚焦。在此情况下，红外图像和可见图像的焦距设置是相同的。4.2.3.2.2焦距应根据所需的清晰度水平调整，详见4.2.1.2。IECTS60904-13给出了一种可用于计算透镜最佳焦距的算法。4.2.3.2.3其它推荐设置如下：——增益设置应设置为获得待成像电池的最佳像素深度分辨率；——在进行图像比较时，f值不能改变；——如果有可调节的f值，当成像样品位于相机前面的中心位置，且光轴通过电池的中心时，则选择默认的最低f值；——当调整f值可以达到更优的结果，例如减少光晕、增加清晰度、增加电池面斜视成像时的景深，则可以选择并设定不同的f值。4.2.3.3视场相机应具有优化的视场，至少大于电池及其不产生发光的周边区域。电池区域外视场的非发光部分是必要的，以便清楚识别电池边缘。建议发光/非发光视场为80%/20%（正负偏差5%）的比例。6GB/TXXXXX—202X4.2.3.4图像强度为达到最大的信噪比，曝光应进行优化(增加)。曝光应有一定限制，以满足图像中的像素不饱和(见4.1.4.1)。在像素饱和度分析中，应不考虑单一时间效应和随机噪声。4.2.3.5电池比较不同类型电池和衰减过程在不同的测量条件下可能表现出不同的EL行为。为了便于比较衰减和非衰减的电池，可以在原始条件和可选条件下对衰减电池拍照，并针对衰减条件重新优化设置，以这种方式比较未衰减电池和已衰减电池时，只能利用曝光时间进行调整，电流不能改变。——根据4.1.3成像暗室或环境的要求，在电池的初始和衰减后状态下，器件温度应尽可能接近；——被测量太阳电池在初始和衰减状态下的电气连接应相同；——如需要使用帧差法，可应用IECTS60904-13中的第4.1.5.2中软件功能程序；——当需要对不同曝光时间成像的电池进行比较时，可在后处理中通过像素强度与曝光时间成反比来缩放像素强度。对比中最亮的图像强度应按照4.1.5.1和4.2.3.4的规定进行设置。4.2.4成像4.2.4.1电路连接将直流电源的引线连接到电池测试平台(+)和(-)，将电源的(+)引线与测试样品的(+)相匹配。探针的分布应与电池主栅图形相匹配，以获得均匀的电流输出。建议在电池的每条主栅上连接多个电流探针，以保证电流的均匀分布。对于无主栅或背接触的电池，应采用适用的传导系统，确保电流均匀分布。4.2.4.2偏置和成像4.2.4.2.1对于可以获得的附加信息，主要是分离串联电阻缺陷和电荷载流子寿命变化引起的缺陷，建议在两个偏置电流下依次成像，一个用大电流注入，另一个用小电流注入。4.2.4.2.2由于同种类型的电池的短路电流可能会发生变化，施加的偏置电流应满足精度要求(见4.1.4)。曝光时间可根据4.2.3.4的规定进行优化。出于可比性的考虑，建议在以下电流注入设定值下对EL图像进行采样:——高电流注入：Isc；——低电流注入：0.1×Isc。4.2.5图像校正在图像采集后，需要对图像进行校正，以达到表征和优化所需的图像质量。当对图像进行定量分析时，图像校正是必要的。图像校正方式有帧减和渐晕校正。：：5EL图像评估5.1电致发光原理EL是半导体器件对电流注入的发光响应现象。光的发射归因于主要发生在带隙区的自由载流子的辐射复合。局部缺陷的存在影响了每个区域记录的EL信号强度，因此电致发光可以提供丰富的被测太阳电池信息及其缺陷拓扑结构信息。更多电致发光原理信息见IECTS60904-13：2018中5.1的规定。7GB/TXXXXX—202X5.2图像说明5.2.1串联电阻电流被串联电阻限制的区域将显示降低的EL信号强度，因为这些区域缺乏注入的载流子。相反，对于给定净电流的器件，降低串联电阻的区域将有更高的载流子注入量，并产生更高强度的EL信号。通常，EL信号强度会随贯穿电池两端的电势V而改变。假定电池上少子寿命等参数不变，那么与EL图像中对应位置的串联电阻相关的电池上两点（x1和x2）之间的电势差ΔV与EL强度K(x1)和K(x2)相关，关系式见公式（1）。式中：K——玻尔兹曼常数；T——开尔文温度；e——电位电荷量。EL强度K(x)存在如下正比例关系式：K(x)～exp[V(x)/(kT/e)]与串联电阻有关的缺陷在高偏置电流(如Isc)下会出现，而在低偏置电流(如0.1倍Isc)时产生低对比度图像信息。比较在高、低注入水平下EL图像上的缺陷对比度信息，有助于区分分别由串联电阻和少数载流子寿命所导致的缺陷。5.2.2少数载流子寿命与扩散长度EL发射强度与有效扩散长度紧密相关，是扩散率和少子寿命的函数。当环境温度可控时，扩散率可以假定为恒量，EL发射强度的范围由少子寿命决定。通常在正向偏置条件下记录的EL图像上，与少子寿命有关的效应是可见的。在电池上，具有较高少子寿命的区域也会具有更长的扩散长度，图像会显得更加明亮。而更低少子寿命和更短扩散长度则会在图像上显得更暗。少子寿命缺陷通常在高、低注入条件下都会明显体现出来。5.2.3并联电阻由于靠近能带边缘的复合路径会影响EL信号强度，而贯穿电池p-n结的旁路即是一种替代的复合路径，导致EL信号强度降低。高电流注入可能会使旁路漏电电流饱和，因此除漏电处电池会变暗外，电池其他位置可能会显得较亮。低电流注入时，未饱和的漏电流会减少器件整体少子密度和整个电池的EL强度。旁路或非发光复合区域，特别是电池边缘将在局部受到较高的偏置电流，而在较低的偏置电流下，整个电池将显得较暗。通常在EL成像中欧姆分流的可见性取决于将旁路与电池的其余部分连接起来的串联电阻。EL成像不是一种合适的用于旁路定量空间解析的方法，在反向偏置条件下的热成像方法是这种问题所需的方法。5.2.4根本原因排查虽然隐裂等可见缺陷在EL图像中有易于识别的特征，但使用在特定的正向偏置电流和温度下拍摄的EL图像，并不总是能够指定特定的物理现象。两个偏置电流下获取的信号结合红外热成像(IECTS62446-3)、光致发光或激光束诱生电流方法可用于进一步确定电池表面EL信号变化的各种根本原因。5.2.5图像定性说明8GB/TXXXXX—202X5.2.5.1概述下列描述呈现了可通过EL成像识别的特征，并描述了导致这些特征的物理机制，并提供所识别特征对由这种太阳电池制成的光伏组件的电性能稳定性的影响的建议。5.2.5.2栅线缺失、断栅栅线缺失或断栅(可通过外观检查确认)会影响电池效率。图3中的这种缺陷通常会增加太阳电池局部的串联电阻，降低相应位置的EL强度。在低偏置电流下，由于串联电阻的差异引起的EL强度对比度差异会比较小，但在高偏置电流下，对比度会增加。图3（a）、（b）、（c）、（d）为太阳电池栅线缺失或断栅示例。断栅缺陷的严重程度取决于其发生的频率和断栅延展的尺寸。这种断栅的常见来源是丝网印刷堵网，这种缺陷通常是稳定的。单一的缺陷不太可能引起明显的效率降低，大面积的多重栅线缺陷会降低太阳电池的效率。对于其他原因的断栅，栅线粘附力会随着时间的推移而继续降低，这会降低电池性能。由于这些缺陷可能是稳定的，也可能是不稳定的，在使用缺陷电池进行光伏组件封装前，建议通过加速老化测试进一步研究其热机械稳定性。图3断栅太阳电池的EL图像（a,b,c和d）5.2.5.3低载流子寿命较高的缺陷和杂质浓度可能存在于硅片特定的晶粒或区域里。具有同心圆的P型电池不推荐用于组件组装。这样的图案表明存在高氧含量，这可能导致这些区域出现加速光致衰减，引起电池的不均匀衰减。可能影响电池和组件效率的长期稳定性，因此建议进一步开展可靠性研究。图4(a)、(b)、(c)展示了表现出同心圆的硅太阳电池的例子。在多晶硅片中，特别是冶金硅硅片中，高位错密度区域经常存在。它们的形成源于多晶硅锭生长后的冷却过程中的热应力残留，通常捕获大量杂质。这样的缺陷影响少子寿命，并导致电池内的该片区域看起来较暗。通常，高缺陷和杂质浓度会随时间而稳定下来。他们只影响电池的初始效率，不会造成其他性能稳定性或衰减问题。在图4(d)、(e)、(f)、(g)和(h)中，展示了此类缺陷的硅片电池。降低载流子寿命的缺陷通常在高电流注入和低电流注入下都很明显。EL成像并不总是能提供这些缺陷准确的来源信息。因此，采用载流子寿命测试来量化评估载流子寿命的降低幅度，以及IV测试评估对电池效率的影响，是合适的方法。9GB/TXXXXX—202X（e)（e)图4单晶硅中不同等级的同心圆EL图片(a,b和c)。位错(d),暗片(e),团簇位错(f),多晶硅电池暗边(g)单晶硅电池暗边(h)5.2.5.4局部漏电缺陷局部p-n结短路常被归因于制造缺陷。这些缺陷可能会进一步恶化或发展成热斑，在电池工作过程中通常是不良的。这些缺陷降低了并联电阻，并为形成光生电流的电荷载流子提供了替代路径。这样的变向分流减少了结中电流的流量。因此，在EL成像中，旁路区域呈现黑色。短路或非发光复合区域的局部偏置电流较高，而整个电池会因低偏置电流而显得更暗。EL成像中非旁路区域的暗区的其他来源是串联电阻相关缺陷(见5.2.5.2)，或局部减少的体寿命(见第5.2.5.3)。图5(a)和(b)展示了硅片太阳电池中漏电缺陷的例子。不建议在光伏组件的封装中使用旁路漏电电池。然而,单独EL图像并不总是能揭示局部漏电缺陷存在的准确信息。因此建议使用其他技术，如红外热成像和IV测试进行识别。图5局部漏电的光伏电池EL图(a)(b)5.2.5.5硅片或电池加工污染和划痕局部区域的低EL信号强度可能是由于硅片/电池的工艺过程导致的，如硅片划痕传输设备引起的污染、划痕、擦伤。这类缺陷通常在电池产品中是系统性的，导致较高的局部串联电阻或较低的少子寿命，导致在高电流偏置下EL强度较低。单晶和多晶硅电池的这些缺陷的示例分别在图6和图7中展示。许多由生产步骤引起的缺陷类型一般会随时间而稳定。它们的影响体现在初始效率上，然而也存在着各种各样的缺陷，其中一些可能会导致进一步的衰减。因此，通常好的行业惯例是用这类电池封装成组件前，用加速老化的方法验证这些缺陷的电稳定性。GB/TXXXXX—202X图6存在划痕(a)、吸盘印(b)、吸笔印(c)、石墨框印(d)、皮带印(e)、黑点(f)和污染(g和h)的单晶硅电池EL图片图7存在划痕(a)蚀刻面放反(b)，严重污染(c)，石墨框印(d)，皮带或水印(e)，背钝化不良(f)多晶硅电池EL图像5.2.5.6电池隐裂若隐裂由于热应力等外部应力扩展，电池的裂纹很容易进一步恶化。裂纹可能扩大并最终使电池的电学部分局部电隔离。位于电池四周边缘的裂缝，如图8(c)所示，若产生裂纹延伸，可能使电池的发电活性区电学隔离。由于小裂纹在层压或层压后阶段可能发展成大裂纹，不建议将有裂纹的电池封装成组件。并且层压前的裂缝应与层压过程中和层压后发生的裂纹区分开来，层压过程中和层压后发生的裂纹不一定会扩展或影响光伏组件的电稳定性。GB/TXXXXX—202X图8具有交叉裂纹(a)、45°裂纹(b)和边缘裂纹（c）的光伏电池EL图像6报告测试机构或实验室应当准备一份报告，包括测试性能描述和有可能出错并需要重新测试的详细信息，报告还应包含电池的详细规格。每一份测试报告至少都应包含如下信息：a)题目；b)测试机构的名称地址和进行测试的地点；c)报告每一页都要带有特别标识；d)客户的姓名和地址（如适用）；e)测试项目的描述、表征、条件和标识；f)收到测试项目的日期和测试日期（适用时）；g)测量设备的标识，包括相机、探测器、镜头和类型；h)通过参考本文档中的条款