CN102608510A - 晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，通过使用电致发光技术，实现快速测定晶体硅太阳电池的少子寿命，包括步骤：在标准晶体硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，得到标准晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量标准晶体硅太阳电池的电致发光强度I_Ls；通过关系式

以及标准晶体硅太阳电池的平均少子寿命τ_ns，得到系数A；在晶体硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，得到晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量晶体硅太阳电池的发光强度I_L；通过关系式

以及系数A，得到晶体硅太阳电池的平均少子寿命τ_n以及太阳电池上某一选定区域内的少子寿命面分布。

Description

晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法

技术领域

本发明涉及一种太阳电池的检测方法，尤其涉及一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法。

背景技术

晶体硅(Crystalline silicon)太阳电池的少数载流子(少子)寿命是评估太阳电池的重要参数之一，它与材料的完整性和杂质含量有极密切的关系。少子寿命反映了太阳电池表面和基体对光生载流子的复合速度，即反映了光生载流子的利用程度。通过对少子寿命的测量，可以明确知道晶体硅太阳电池的质量情况，从而作为质量监控和工艺调整的依据，所以少子寿命的准确测量具有重要的实际意义。

有文献报道采用微波方法测量少子寿命，如公开号为CN 101702004A的中国发明专利公开了一种太阳能电池材料少子寿命测试仪；公开号为CN 86101518A的中国发明专利公开了一种用介质波导测量半导体材料少子寿命的装置；专利号为ZL 9524379.2的中国实用新型专利提供了一种测试少子寿命的装置；专利号为ZL200310108310.7的中国使用新型专利利用了半导体样品传输信号的变化测量少子寿命。它们的共同特点是用脉冲光源激发引起半导体材料少子浓度的跃变，再从撤去激发光后光电导的衰退曲线测量少子寿命。目前在研究和生产领域普遍应用的少子寿命测试方法有微波光电导衰退法(μ-PCD)、准稳态光电导法(QSS-PC)等，这些方法可以非接触地无损测量电池片的少子寿命，但测试时需要逐点扫描，需要五分钟以上的测试时间，无法满足大规模太阳电池生产过程中快速准确测量的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，通过使用电致发光(EL)技术，实现快速测定晶体硅太阳电池的少子寿命，包括晶体硅太阳电池的平均少子寿命和晶体硅太阳电池上任何选定区域内的平均少子寿命。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，通过关联晶体硅太阳电池的电致发光的EL强度与少子寿命，实现使用电致发光技术快速测定晶体硅太阳电池的少子寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其特征在于，包括步骤：在标准晶体硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，得到所述标准晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量所述标准晶体硅太阳电池的电致发光强度I_Ls；通过关系式：

以及所述标准晶体硅太阳电池的少子寿命τ_ns，得到系数A；在晶体硅太阳电池上施加所述正向偏置电压U₀，得到所述晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量所述晶体硅太阳电池的发光强度测量I_L；通过关系式：

以及所述系数A，得到所述晶体硅太阳电池的少子寿命τ_n。

进一步地，所述晶体硅太阳电池是单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。

进一步地，所述标准晶体硅太阳电池和所述晶体硅太阳电池是经过相同的工艺制成的。

进一步地，所述标准晶体硅太阳电池的电致发光强度I_Ls是经过灰度变换的所述标准晶体硅太阳电池电致发光图像中的像素点的灰度值的平均值。

进一步地，所述标准晶体硅太阳电池的少子寿命τ_ns是所述标准晶体硅太阳电池的平均少子寿命。

进一步地，所述晶体硅太阳电池的电致发光强度I_L是经过灰度变换的所述晶体硅太阳电池的电致发光图像中的像素点的灰度值的平均值。

进一步地，所述晶体硅太阳电池的少子寿命τ_n是所述晶体硅太阳电池的平均少子寿命。

进一步地，所述晶体硅太阳电池的电致发光强度I_L是经过灰度变换的所述晶体硅太阳电池的电致发光图像中选定区域内的像素点的灰度值的平均值。

进一步地，所述晶体硅太阳电池的少子寿命τ_n是所述晶体硅太阳电池在所述选定区域内的平均少子寿命。

当晶体硅太阳电池被施加正向偏置电压U时，在晶体硅太阳电池的PN结势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡少数载流子(少子)不断地与多数载流子复合而发光，这就是电致发光(EL)。由于EL强度与过剩载流子的数目成正比，因此可以通过过剩载流子与少子寿命之间的关系，建立起EL强度I_L与少子寿命τ_n之间的关系：

$I_L=a\sqrt{{\mathrm{\τ}}_n}\exp \left(\mathrm{bU}\right),$

式中a和b是两个与晶体硅太阳电池的掺杂浓度等因素有关的系数，可以认为对于经过相同的工艺制成的晶体硅太阳电池，a、b两系数的值为常数。

而对于确定的电压U，可以认为EL强度I_L与少子寿命τ_n的平方根成正比，即：

$I_L=A\sqrt{{\mathrm{\τ}}_n},$

式中A为系数，对于经过相同的工艺制成的晶体硅太阳电池，在被施加相同的正向偏置电压时，可以认为A的值为常数。

在本发明的一个较佳实施方式中，选择5片与待测单晶硅太阳电池经过相同的工艺制成的标准单晶硅太阳电池，这些标准单晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_ns11、τ_ns12、...、τ_ns15为已知值。平均少子寿命是体少子寿命和表面复合少子寿命的综合结果。分别在这5片标准单晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀(U₀＝5V)，得到这些标准单晶硅太阳电池的电致发光图像。测量标准单晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值(即电致发光图像中的所有像素点的灰度值之和除以像素点数目)，以此平均值作为该标准单晶硅太阳电池的EL强度，由此分别得到5片标准单晶硅太阳电池的EL强度：I_Ls11、I_Ls12、...、I_Ls15。将I_Ls11、I_Ls12、...、I_Ls15和τ_ns11、τ_ns12、...、τ_ns15通过关系式

拟合，得到系数A。在待测单晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀(U₀＝5V)，使用相同的设备在相同条件下得到该待测单晶硅太阳电池的电致发光图像。使用相同方式测量此单晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值，以此平均值作为该待测单晶硅太阳电池的EL强度I_L10。通过关系式

以及拟合得到的系数A，得到待测单晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_n10。另外还可以将此电致发光图像上某一选定区域内的像素点的灰度值的平均值作为该待测单晶硅太阳电池在选定区域内的EL强度I_L1x，通过关系式

以及拟合得到的系数A，得到待测单晶硅太阳电池在选定区域内的平均少子寿命τ_n1x，并且由此可以进一步地得到待测单晶硅太阳电池上平均少子寿命的面分布。

在本发明的另一个较佳实施方式中，选择5片与待测多晶硅太阳电池经过相同的工艺制成的标准多晶硅太阳电池，这些标准多晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_ns21、τ_ns22、...、τ_ns25为已知值。分别在这5片标准多晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀(U₀＝5V)，得到这些标准多晶硅太阳电池的电致发光图像。测量标准多晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值(即电致发光图像中的所有像素点的灰度值之和除以像素点数目)，以此平均值作为该标准多晶硅太阳电池的EL强度，由此分别得到5片标准多晶硅太阳电池的EL强度：I_Ls21、I_Ls22、...、I_Ls25。将I_Ls21、I_Ls22、...、I_Ls25和τ_ns21、τ_ns22、...、τ_ns25通过关系式

拟合，得到系数A。在待测多晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀(U₀＝5V)，使用相同的设备在相同条件下得到该待测多晶硅太阳电池的电致发光图像。使用相同方式测量此多晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值，以此平均值作为该待测多晶硅太阳电池的EL强度I_L20。通过关系式以及拟合得到的系数A，得到待测多晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_n20。另外还可以将此电致发光图像上某一选定区域内的像素点的灰度值的平均值作为该待测多晶硅太阳电池在选定区域内的EL强度I_L2x，通过关系式

以及拟合得到的系数A，得到待测多晶硅太阳电池在选定区域内的平均少子寿命τ_n2x，并且由此可以进一步地得到待测多晶硅太阳电池上平均少子寿命的面分布。

可见，本发明的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法通过使用正向偏置电压使晶体硅太阳电池发光，并通过测定其EL强度值而快速得到其少子寿命，包括晶体硅太阳电池的平均少子寿命和晶体硅太阳电池上任何选定区域内的平均少子寿命，并可以进一步地得到晶体硅太阳电池上平均少子寿命的面分布。本发明可以在10秒的时间内拍摄晶体硅太阳电池的EL图像并得到少子寿命的数值和面分布图像，测试结果全面可靠，为质量监控和工艺调整提供重要参考，在电池生产工艺和光伏应用中具有重要的意义。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法的流程图。

图2是本发明的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法的第一个实施例对系数A的拟合图。

图3是本发明的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法的第二个实施例对系数A的拟合图。

具体实施方式

本发明的第一个较佳实施方式是使用本发明测定单晶硅太阳电池的少子寿命，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，拍摄标准单晶硅太阳电池的电致发光图像。

选择5片与待测单晶硅太阳电池经过相同的工艺制成的标准单晶硅太阳电池，这些标准单晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_ns11、τ_ns12、...、τ_ns15为已知值(参见图2)。分别在这5片标准单晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，U₀＝5V，得到这5片标准单晶硅太阳电池的电致发光图像。可以使用相机拍摄的方式得到这些标准单晶硅太阳电池的电致发光图像，拍摄条件必须保持相同，在本实施例中为：室温、曝光时间8S。

步骤2，利用标准单晶硅太阳电池的EL强度和少子寿命进行定标，确定EL强度与少子寿命之间的数量关系。

分别测量经过灰度变换的各标准单晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值(即电致发光图像中的所有像素点的灰度值之和除以像素点数目)，以此平均值作为该标准单晶硅太阳电池的EL强度，由此得到5片标准单晶硅太阳电池的EL强度：I_Ls11、I_Ls12、...、I_Ls15(参见图2)。

在确定EL强度的过程中，可以将这些标准单晶硅太阳电池的电致发光图像输出为数码图像，然后使用图像处理软件对这5片标准单晶硅太阳电池的电致发光数码图像进行分析。

将得到的I_Ls11、I_Ls12、...、I_Ls15和已知的τ_ns11、τ_ns12、...、τ_ns15一一对应，通过关系式

进行拟合，拟合直线的斜率即为系数A。

在本实施例中，采用对EL强度与少子寿命的平方根进行线性拟合，图2为拟合图，拟合得到直线斜率A＝44.18μs^-1/2，即EL强度与少子寿命在数值上符合关系式： $I_{\mathrm{Ls}}=44.18\sqrt{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ns}}}.$

步骤3，拍摄待测单晶硅太阳电池的电致发光图像。

在待测单晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，U₀＝5V，得到该待测单晶硅太阳电池的电致发光图像。注意必须使用与步骤1中使用的相同的设备并且在相同的条件下获得该待测单晶硅太阳电池的电致发光图像。例如使用同一款相机，拍摄条件为：室温、曝光时间8S。

步骤4，测定单晶硅太阳电池的EL强度，计算单晶硅太阳电池的少子寿命。

使用与步骤2中相同的方式，测量经过相同方式的灰度变换的待测单晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值，以此平均值作为该标准单晶硅太阳电池的EL强度I_L10，I_L10是待测单晶硅太阳电池的整体EL强度。

例如使用与步骤2中相同的设备将待测单晶硅太阳电池的电致发光图像输出为数码图像，然后使用相同的图像处理软件，以相同的处理方式对此待测单晶硅太阳电池的电致发光数码图像进行分析。

经过分析计算得到此待测单晶硅太阳电池的EL强度为119.40。

通过关系式以及步骤3中拟合得到的系数A(A＝44.18μs^-1/2)，计算得到待测单晶硅太阳电池的少子寿命τ_n10，τ_n10＝7.3040μs，是待测单晶硅太阳电池的平均少子寿命。

步骤14，测定单晶硅太阳电池的EL强度的面分布，计算单晶硅太阳电池的少子寿命的面分布。

以与步骤2中相同的方式，测量经过相同方式的灰度变换的待测单晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，将此待测单晶硅太阳电池的电致发光图像中某一选定区域内的像素点的灰度值的平均值作为该待测单晶硅太阳电池在选定区域内的EL强度I_L1x，通过关系式

(A＝44.18μs^-1/2)以及步骤3中拟合得到的系数A，可以得到待测单晶硅太阳电池在选定区域内的平均少子寿命τ_n1x。

由此，可以得到单晶硅太阳电池的EL强度的面分布，计算单晶硅太阳电池的少子寿命的面分布。例如，以各像素点作为选定区域，测得每个像素点的EL强度，代入关系式

(A＝44.18μs^-1/2)，从而计算得到该太阳电池的平均少子寿命的面分布图像。

本发明的第二个较佳实施方式是使用本发明测定多晶硅太阳电池的少子寿命，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，拍摄标准多晶硅太阳电池的电致发光图像。

选择5片与待测多晶硅太阳电池经过相同的工艺制成的标准多晶硅太阳电池，这些标准多晶硅太阳电池的平均少子寿命τ_ns21、τ_ns22、...、τ_ns25为已知值(参见图3)。分别在这5片标准多晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，U₀＝5V，得到这5片标准多晶硅太阳电池的电致发光图像。可以使用相机拍摄的方式得到这些标准多晶硅太阳电池的电致发光图像，拍摄条件必须保持相同，在本实施例中为：室温、曝光时间8S。

步骤2，利用标准多晶硅太阳电池的EL强度和少子寿命进行定标，确定EL强度与少子寿命之间的数量关系。

分别测量经过灰度变换的各标准多晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值(即电致发光图像中的所有像素点的灰度值之和除以像素点数目)，以此平均值作为该标准多晶硅太阳电池的EL强度，由此得到5片标准多晶硅太阳电池的EL强度：I_Ls21、I_Ls22、...、I_Ls25(参见图3)。

在确定EL强度的过程中，可以将这些标准多晶硅太阳电池的电致发光图像输出为数码图像，然后使用图像处理软件对这5片标准多晶硅太阳电池的电致发光数码图像进行分析。

将得到的I_Ls21、I_Ls22、...、I_Ls25和已知的τ_ns21、τ_ns22、...、τ_ns25一一对应，通过关系式

进行拟合，拟合直线的斜率即为系数A。

在本实施例中，采用对EL强度与少子寿命的平方根进行线性拟合，图3为拟合图，拟合得到直线斜率A＝34.16μs^-1/2，即EL强度与少子寿命在数值上符合关系式： $I_{\mathrm{Ls}}=34.16\sqrt{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ns}}}.$

步骤3，拍摄待测多晶硅太阳电池的电致发光图像。

在待测多晶硅太阳电池上施加正向偏置电压U₀，U₀＝5V，得到该待测多晶硅太阳电池的电致发光图像。注意必须使用与步骤1中使用的相同的设备并且在相同的条件下获得该待测多晶硅太阳电池的电致发光图像。例如使用同一款相机，拍摄条件为：室温、曝光时间8S。

步骤4，测定多晶硅太阳电池的EL强度，计算多晶硅太阳电池的少子寿命。

使用与步骤2中相同的方式，测量经过相同方式的灰度变换的待测多晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，计算这些像素点的灰度值的平均值，以此平均值作为该标准多晶硅太阳电池的EL强度I_L10，I_L10是待测多晶硅太阳电池的整体EL强度。

例如使用与步骤2中相同的设备将待测多晶硅太阳电池的电致发光图像输出为数码图像，然后使用相同的图像处理软件，以相同的处理方式对此待测多晶硅太阳电池的电致发光数码图像进行分析。

经过分析计算得到此待测单晶硅太阳电池的EL强度为65.16。

通过关系式

以及步骤3中拟合得到的系数A(A＝34.16μs^-1/2)，计算得到待测多晶硅太阳电池的少子寿命τ_n20，τ_n20＝3.6389μs，是待测多晶硅太阳电池的平均少子寿命。

步骤14，测定多晶硅太阳电池的EL强度的面分布，计算多晶硅太阳电池的少子寿命的面分布。

以与步骤2中相同的方式，测量经过相同方式的灰度变换的待测多晶硅太阳电池的电致发光图像中每个像素点的灰度值，将此待测多晶硅太阳电池的电致发光图像中某一选定区域内的像素点的灰度值的平均值作为该待测多晶硅太阳电池在选定区域内的EL强度I_L2x，通过关系式

(A＝34.16μs^-1/2)以及步骤3中拟合得到的系数A，可以得到待测多晶硅太阳电池在选定区域内的平均少子寿命τ_n2x。

由此，可以得到多晶硅太阳电池的EL强度的面分布，计算多晶硅太阳电池的少子寿命的面分布。例如，以各像素点作为选定区域，测得每个像素点的EL强度，代入关系式

(A＝34.16μs^-1/2)，从而计算得到该太阳电池的平均少子寿命的面分布图像。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其特征在于，包括步骤：在标准晶体硅太阳电池上施加正向偏置电压(U₀)，得到所述标准晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量所述标准晶体硅太阳电池的电致发光强度(I_Ls)；通过关系式：

以及所述标准晶体硅太阳电池的少子寿命(τ_ns)，得到系数(A)；在晶体硅太阳电池上施加所述正向偏置电压(U₀)，得到所述晶体硅太阳电池的电致发光图像，测量所述晶体硅太阳电池的发光强度测量(I_L)；通过关系式：以及所述系数(A)，得到所述晶体硅太阳电池的少子寿命(τ_n)。

2.如权利要求1所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述晶体硅太阳电池是单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。

3.如权利要求2所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述标准晶体硅太阳电池和所述晶体硅太阳电池是经过相同的工艺制成的。

4.如权利要求3所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述标准晶体硅太阳电池的电致发光强度(I_Ls)是经过灰度变换的所述标准晶体硅太阳电池的电致发光图像中的像素点的灰度值的平均值。

5.如权利要求4所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述标准晶体硅太阳电池的少子寿命(τ_ns)是所述标准晶体硅太阳电池的平均少子寿命。

6.如权利要求5所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述晶体硅太阳电池的电致发光强度(I_L)是经过灰度变换的所述晶体硅太阳电池的电致发光图像中的像素点的灰度值的平均值。

7.如权利要求6所述的晶体硅太阳电池子寿命的快速测定方法，其中所述晶体硅太阳电池的少子寿命(τ_n)是所述晶体硅太阳电池的平均少子寿命。

8.如权利要求5所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述晶体硅太阳电池的电致发光强度(I_L)是经过灰度变换的所述晶体硅太阳电池的电致发光图像中选定区域内的像素点的灰度值的平均值。

9.如权利要求8所述的晶体硅太阳电池少子寿命的快速测定方法，其中所述晶体硅太阳电池的少子寿命(τ_n)是所述晶体硅太阳电池在所述选定区域内的平均少子寿命。

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