TWI393202B - 薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於畫線缺陷檢測方法,且特別是有關於一種薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法。
薄膜太陽能電池(thin-film solar cell)能在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應的薄膜,厚度僅需數μm,且可大面積製造,可製成可撓性元件,因此,受到研究的矚目。
於薄膜太陽能電池製程中,請參見第1圖,於基材10之上依序沉積透明導電層(transparent conducting oxide,TCO)20、光吸收層30與導電層40(其中導電層40可為金屬或金屬加上透明導電層之二層結構),製程中會使用雷射畫線技術(laser scribing)或機械畫線技術於透明導電層(TCO)20、光吸收層30與導電層40上以刻畫方式造成絕緣,此三道製程畫線位置分別簡稱為P1(pattern 1)、P2(pattern 2)與P3(pattern 3)。畫線之目的在於製作出串聯的電池結構,進而提高電池的電壓。
然而,進行畫線時,會因為玻璃上的微顆粒或缺陷(如氣泡或雜質),或者是熔融金屬回流而造成畫線缺陷,這些缺陷會造成太陽能電池產生漏電流,導致光電轉化效率降低。
US 7554346揭露一種檢測畫線缺陷的方法,其利用探針測量相鄰兩個電池之間的電阻值,當電壓小於正常值時代表有缺陷存在。然而,此檢測方法無法得知缺陷正確的位置,亦無法得知缺陷是那一道製程(P1、P2或P3)的缺陷。
因此,業界亟需一種檢測畫線缺陷的方法,其不但能檢測出畫線缺陷的位置,且能得知缺陷的種類。
本發明提供一種薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,包括以下步驟:提供一薄膜太陽能電池,其製作方式包括以第一道製程對一透明導電層畫線,以第二道製程對一光吸收層畫線,以第三道製程對一導電層與光吸收層畫線;施加一電流於該薄膜太陽能電池中,使該薄膜太陽能電池發光;以及以一影像擷取模組擷取該薄膜太陽能電池發光之影像,其中影像中不發光之直線為畫線處,藉由該畫線處左右呈現亮暗圖形決定畫線缺陷之位置。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂,下文特舉出較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下:
本發明提供一種薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,此檢測裝置如第2A圖所示,包括一影像擷取模組100與一電源供應模組300,其中影像擷取模組100用以擷取薄膜太陽能電池200發光後的影像,其包括電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)101與光學濾波器(optical filter)102,而電荷耦合元件(CCD)101用以將可將光線之強度轉化為電荷的累積,再通過轉換晶片轉換成數位信號,而光學濾波器102用以過濾外界環境雜光,以避免其他光波的干擾。
另外,請參見第2B圖,此為第2A圖之薄膜太陽能電池200中圓圈位置201之放大圖中,可以觀察到基材10之上依序為透明導電層(TCO)20、光吸收層30與導電層40,其中位於透明導電層20的畫線處稱為第一道雷射製程(簡稱P1),位於光吸收層30的畫線處稱為第二道雷射或機械製程(簡稱P2),而導電層40的畫線處稱為第三道雷射或機械製程(簡稱P3),並可觀察到當施加電流於薄膜太陽能電池200時,電池中電流的流動方向220。上述三道製程之畫線處的間距為約50μm~150μm,而線寬為約20μm~50μm。
上述基材10包括玻璃或高分子基板;而透明導電層20例如氧化鋅:鋁(ZnO:Al,aluminum doped zinc oxide,AZO)、氧化銦:錫(In2
O3
:Sn)、二氧化錫:氟(SnO2
:F)或上述之組合;而光吸收層30可為非晶矽(amorphous Si)或IB-IIIA-VI族化合物,例如銅銦鎵硒化合物(CuGaInSe);導電層40則包括鋁、銅、鎳或上述之組合。
進行檢測時,利用該電源供應模組300施加電流至薄膜太陽能電池200中,使之產生特定波長的光,其中施加之電流大小為約小於15mA/cm2
,而光的波長範圍為600nm~1000nm,此處需注意的是,光的波長會隨太陽能電池的種類而變,並不限於上述提及之波長範圍,例如非晶矽太陽能電池(a-Si cell)之波長範圍為700nm~900nm。接著,以影像擷取模組100擷取薄膜太陽能電池200發光的影像,由呈現的影像判讀出缺陷的位置。
第3A-3B圖一系列俯視圖,用以說明薄膜太陽能電池於檢測前後實際擷取到的影像圖。第3A圖為薄膜太陽能電池200於可見光下的影像圖。第3B圖為薄膜太陽能電池200通電之後發光的影像圖,其中影像中不發光之直線為畫線處,而畫線處左右呈現亮暗圖形決定畫線缺陷之位置,亦即以畫線處作為中心線時,中心線之一側為亮,另一側為暗時,代表其具有畫線缺陷,為幫助說明,圖中用A、B、C、D、E標示出五個位置的畫線缺陷。
請參見第4A-4E圖,為了進一步觀察畫線缺陷的種類,使用光學顯微鏡(放大倍率為5~10)觀察上述標號A-E之位置。此處須注意的是,於第3B圖中的一條畫線處310經過放大後,如第4E圖所示,可見到三道製程之畫線處,由右到左分別為第三道製程(P3)310c、第二道製程(P2)310b與第一道製程(P1)310a,其中位於第三道製程(P3)具有畫線缺陷,如照片中畫圖處所示。同理,於第4A圖、第4B圖顯示第三道製程(P3)之畫線缺陷,而第4C與第4D圖顯示第一道製程(P1)之畫線缺陷。
此處須注意的是,本發明之檢測方法主要應用於檢測第一道製程與第三道製程(P1、P3)之畫線缺陷,由於第一道製程位於透明導電層,而第三道製程位於導電層中,該些層會因為玻璃上的微顆粒或缺陷(如氣泡或雜質),或是熔融金屬回流而造成畫線缺陷,再者,當透明導電層或導電層存在畫線缺陷時,會使原本欲絕緣的地方變成導通,因此電流不經過光吸收層(由於透明導電層或導電層之間的電阻較小),而使電池產生漏電流路徑,進而影響電池之光電轉換效率,所以,檢測第一道製程與第三道製程(P1、P3)之畫線缺陷是極為重要。而第二道製程(P2)之畫線處位於光吸收層上,其進行畫線時若有缺陷產生,亦不會造成漏電流路徑產生。
然而,使用光學顯微鏡判斷畫線缺陷之種類較不方便,因此,本發明利用亮點與暗點出現之位置判斷缺陷之種類,此檢測方法簡易,檢測之影像以肉眼即可快速得知缺陷的種類,詳細的判斷方式說明如下。
請參見第5A圖,此圖顯示畫線位置缺陷標號D和E之位置,其中當電流施加方向由正極(圖形左邊)到負極(圖形右邊)時,畫線310、320處的左右呈現亮暗圖形,代表此處具有畫線缺陷(標號E、D的位置),更明確的說,在310處之負極方向呈現暗點,而正極方向呈現亮點,可判斷此為第三道製程(P3)之畫線缺陷。反之,在320處負極方向呈現亮點,而正極方向呈現暗點,可判斷此為第一道製程(P1)之畫線缺陷。
請參見第5B-1圖,此圖顯示第5A圖中圓圈位置501之放大圖,其中310處由右到左可細分為三道製程之畫線處P3 310c、P2 310b與P1 310a,可觀察到P3 310c之畫線具有缺陷,證實上述之檢測方式確實正確,至於其原理機制請參見第5C-1圖。
第5C-1圖顯示第三道製程(P3)之畫線缺陷位於虛線位置111,其中負極方向為510,正極方向為520,虛線位置111為P3 310c未切割完整之區域。原本電流流動方向530會因為虛線位置111之缺陷而變更方向,更詳細的說,由於P3 310c未切割完整之區域電阻值小,大量電流流向缺陷位置,所以,流經光吸收層30之電流比其他切割完整之區域小,因而在P1 310a區域左側會出現亮點,而之後經過虛線位置111之後,電流變更後的路徑540(如實心箭頭方向所示)未經過光吸收層30,因此P3 310c右側呈現暗點。所以,觀察第5A圖時,於畫線處310之左側會呈現亮點(未切割完整之區域電阻值小,大量電流流經光吸收層30),於畫線處310之右側會呈現暗點(因為電流變更後之路徑540通過第5C-1圖之虛線位置111,未流經光吸收層30)。
另外,請參見第5B-2圖,顯示第5A圖中圓圈位置502之放大圖,其中320處由右到左可細分為三道製程之畫線處P3 320c、P2 320b與P1 320a,可觀察到P1 320a之畫線處具有缺陷,證實上述之檢測方式確實正確,至於其原理機制請參見第5C-2圖。
第5C-2圖顯示第一道製程(P1)之畫線缺陷位於虛線位置112,其中負極方向為510,正極方向為520,虛線位置112為P1未切割完整之區域。原本電流流動方向530會因為虛線位置112之缺陷而變更方向,更詳細的說,由於電流變更後之路徑550(如實心箭頭方向所示)會因為未流經光吸收層30,因此P1 320a左側呈現暗點,由於P1 320a未切割完整之區域電阻值小,電流大量流向缺陷位置,之後,再流經光吸收層30,因此P3 320c右側呈現亮點。所以,於第5A圖時,於畫線處320之左側會呈現暗點(因為電流變更後之路徑550通過虛線位置112,未流經光吸收層30),於畫線處320之右側會呈現亮點(未切割完整之區域電阻值小,大量電流流經光吸收層30)。
由上述的檢測方式,其影像不但用肉眼即可快速得知大面積薄膜太陽能電池之畫線缺陷之正確位置,並得知缺陷的種類(亦即缺陷為P1或P3),因此,有利於後續修補畫線缺陷。
進行修補畫線缺陷之步驟,包括先紀錄畫線缺陷之座標位置,以及利用雷射或機械探針對該座標位置進行修補,其中可使用另一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)精準的定位畫線位置。
請參見第6A圖,該圖顯示標號E為第三道製程(P3)之畫線缺陷,其中方框位置如同第5B-1圖之虛線位置111。第6B圖顯示第6A圖中圓圈位置601之放大圖,圖中顯示經過雷射或機械修補後,原本未被切斷的部分已被切斷,可有效的改善製程中造成之缺陷。
上述使用雷射進行修補時,可使用紫外光雷射或短脈衝紅外光雷射修補第一道製程(P1)及/或第三道製程(P3)之畫線缺陷,另外,可使用綠光雷射修補第三道製程(P3)之畫線缺陷。
綜上所述,本發明提供一種薄膜太陽能電池畫線缺陷之檢測方法,其中利用畫線處左右亮暗之圖形判斷出畫線缺陷位置,並且由亮點或暗點出現在電流的正極方向或負極方向判斷畫線缺陷的種類(P1或P3),此檢測方法簡易,檢測影像可由肉眼快速得知缺陷的種類。此外,於檢測方法之後搭配雷射或機械修補製程,可有效修補畫線缺陷,使得因為缺陷導致之漏電流明顯下降,進而提升薄膜太陽能電池之光電性能。
請參見第3B圖,進行檢測步驟,找出缺陷A~E處後,接著進行雷射或機械修補。表1顯示一實施例中修補前與修補後之薄膜太陽能電池之光電效能比較,其中玻璃基板10之上依序為透明導電層(TCO)20、非晶矽的光吸收層30與透明導電層(TCO)40。
表1中顯示開路電壓(open-circuit voltage,Voc
)、短路電流(short-circuit current,Jsc
)、填充因子(fill factor)、電池功率(power)、串聯電阻(series resistance,Rs
)與並聯電阻(shunt resistance,Rsh
)之數據,其中並聯電阻(Rsh
)用於定義太陽能電池之漏電流大小,當並聯電阻越大時,表示漏電流越小。由表1中得知,並聯電阻由333Ohm變成932Ohm,由此可知,修補畫線缺陷之後,確實可以降低太陽能電池之漏電流,進而使填充因子與電池功率上升。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作任意之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10...基材
20...透明導電層
30...光吸收層
40...導電層
P1...第一道製程
P2...第二道製程
P3...第三道製程
100...影像處理模組
101...電荷耦合元件
102...濾波器
111、112...虛線位置
200...薄膜太陽能電池
201...圓圈位置
220...電流流動方向
300...電源供應模組
310、320...畫線處
310a、320a...第一道製程畫線處
310b、320b...第二道製程畫線處
310c、320c...第三道製程畫線處
A、B、C、D、E...畫線缺陷位置
501、502...圓圈位置
510...負極方向
520...正極方向
530...電流流動方向
540、550...電流變更路徑
601...圓圈位置
第1圖為一剖面圖,用以說明薄膜太陽能電池之結構。
第2A圖為一示意圖,用以說明本發明畫線缺陷之檢測裝置。
第2B圖為一剖面圖,用以說明第2A圖之薄膜太陽能電池之結構。
第3A-3B圖為一系列俯視圖,用以說明本發明之薄膜太陽能電池於檢測前後實際擷取到的影像圖。
第4A-4E圖為一系列光學顯微鏡放大圖,用以說明本發明之畫線缺陷的位置。
第5A圖為一影像放大圖,用以說明本發明之畫線缺陷位置(標號D和E)之影像圖。
第5B-1、5B-2圖為一系列光學顯微鏡放大圖,用以說明本發明之畫線缺陷之種類。
第5C-1、5C-2為一系列電流分佈圖,用以說明本發明之電流流動方向。
第6A-6B圖為一系列影像圖,用以說明本發明薄膜太陽能電池經過雷射或機械修補之效果。
100...影像處理模組
101...電荷耦合元件
102...濾波器
200...薄膜太陽能電池
201...圓圈位置
300...電源供應模組
Claims (12)
- 一種薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,包括以下步驟:提供一薄膜太陽能電池,其製作方式包括以第一道製程對一透明導電層畫線,以第二道製程對一光吸收層畫線,以第三道製程對一導電層與光吸收層畫線;施加一電流於該薄膜太陽能電池中,使該薄膜太陽能電池發光;以及以一影像擷取模組擷取該薄膜太陽能電池發光之影像,其中影像中不發光之直線為畫線處,藉由該畫線處左右呈現亮暗圖形決定畫線缺陷之位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,當電流施加方向由正極到負極時,在負極方向呈現亮點者,為第一道製程畫線缺陷。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,當電流施加方向由正極到負極時,在正極方向呈現亮點者,為第三道製程畫線缺陷。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,其中施加該電流大小為約小於15mA/cm2 。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,其中該薄膜太陽能電池所發出之光的波長範圍為600nm~1000nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,其中該薄膜太陽能電池之光吸收層為非晶矽(amorphous Si)或IB-IIIA-VIA族。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,其中該影像擷取模組包括電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)與光學濾波器(optical filter)。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,其中尚包括修補該畫線缺陷,包括以下步驟:紀錄該畫線缺陷處之座標位置;以雷射或機械探針對該座標位置進行修補。
- 如申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,使用紫外光雷射修補第一道及/或第三道製程畫線缺陷。
- 如申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,使用短脈衝紅外光雷射修補第一道及/或第三道製程畫線缺陷。
- 如申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,使用綠光雷射修補第三道製程畫線缺陷。
- 如申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池畫線缺陷檢測方法,尚包括提供另一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD),用以精準定位畫線缺陷之座標位置。
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