TWI417559B

TWI417559B - 太陽能電池的電性分析方法

Info

Publication number: TWI417559B
Application number: TW100124371A
Authority: TW
Inventors: Chung Yu Chang; Hsin Feng Lee; Mu Tzu Wei
Original assignee: Inventec Solar Energy Corp
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-12-01
Also published as: TW201303320A

Description

太陽能電池的電性分析方法

本發明係有關一種太陽能電池的電性分析方法，特別是指一種可以即時判定生產線上太陽能電池效率異常原因的方法。

太陽能電池的發電效率以及能源轉換效率，決定了未來太陽能是否能完全取代現有的石化能源，作為主要供電來源。習知的太陽能電池製程包括：清潔、結構化(texturing)、擴散摻雜、絕緣、鍍抗反射層、網印電極及燒結等程序。如圖1所示，太陽能電池1結構分為一基材區10及一製程層11其中，基材區10是指未經過上述製程流程處理之區域；製程層11位於太陽能電池1表層，包括摻雜層110、抗反射層111及電極112等結構層，一般是自太陽能電池表面至以下，大約10μm的深度。

在太陽能產業中，每一片太陽能電池基板完成表面製程之後，成品在出廠前，需要以一太陽光模擬光源來檢測其能源轉換效率，即太陽能電池在光照下所能輸出的電流。除了依照量測結果對太陽能電池分級，並判斷其光電轉換效率是否有達到預期的標準之外，在良率不佳時，也可由量測數據來追溯製程參數，使之能夠最佳化。

所以，產品檢測結果不如預期時，工程人員勢必得找出使光電轉換效率降低的關鍵原因，以進一步對製程參數進行調整。依照經驗，造成效率降低大部分原因是因為載子生命期(carrier lifetime)變短。而影響載子生命期的原因有二：一是因為太陽能電池的原料本身就品質不良，也就是基材區的電性不佳造成太陽能電池效率降低；二是因為製程參數不適當，也就是在製程層造成載子生命期變短。

對於使用單晶矽作為太陽能電池原料的廠商而言，或許可以忽略第一個因素。但是，對於使用多晶矽作為太陽能電池基板的廠商來說，每一片晶圓的品質並不如使用單晶矽太陽能電池基板那麼固定。因此，工程人員需要比對分析各種數據，才能確定原因究竟出自於製程層，還是基材區，這往往需要耗費一兩天的時間才能判定。

由於太陽能產業每日生產量非常大，一條生產線一天大約可以生產2至3萬片，所以一旦出現問題，在找出原因之前，需要將該條生產線停下，以避免造成大量損失；但若最後發現是因為原料的問題，則最後只能藉由改換材料來提升光電轉換效率，這樣一來，先前因此而停止生產線，及工程人員所花費的時間，就令人覺得相當不值。

因此，若能開發一種方法，可以在短時間內就判定是原料或製程的問題，除了可以節省時間成本，也可以很快避免因製程出錯造成的損失。

目前在業界中，也有在開始進行太陽能電池製程之前，就先對原料作分析檢測。但由於習知的檢測方式是利用微波使半導體產生電子，再利用線圈(coil)來感測電子產生的量，以得知材料本身的品質。但此種檢測方式，會受到晶圓表面大量懸空鍵(dangling bond)的影響，致使無法準確得知材料本身是否有問題。所以，檢測前，通常需要先做一些表面處理，比如：表面鈍化(surface passivation)或退火(annealing)，來減少因為懸空鍵影響實際量測結果的問題。但是，若要將每片晶圓做完處理後進行檢測，則累積的製程成本將會相當可觀。

在美國公開專利4,301,409中，是揭露利用一單色光，比如：雷射，來回掃描太陽能電池表面，將掃描太陽能電池時，每一點所輸出的電量，以亮度顯示於螢幕，藉此檢測太陽能電池表面是否有裂縫以及其他缺陷。

在美國另一件公開專利6,541,754中，也提到利用多種不同波段的光源，來檢測一光電轉換裝置的光電特性。所述的光電轉換裝置具有堆疊結構，係由多個半導體接面堆疊而成的。藉由所量測出每一個單元電池短路電流相較於在標準測試狀況下的偏移，及實際所量測的光電特徵，來推知所述光電轉換裝置在標準測試狀況下的光電特徵。

但此專利主要是針對多層堆疊的光電轉換裝置，利用其每一層單元電池本身就會吸收不同波長的光源，來得知每一層單元電池之光電轉換效率，並且，其所用的材料都是單晶，本身品質就很好，所以不具有本發明所存在的問題。

綜上所述，提供一種即時判定太陽能電池效率異常原因的方法，為本發明之目的。

本發明之目的在於提供一種太陽能電池的電性分析方法，以即時判定太陽能電池效率異常的原因，是出自太陽能電池之基材或製程。所述太陽能電池已完成所有製程，具有一基材區及一製程層。

所述方法包括以下步驟：建立一資料庫，資料庫係以收集光電轉換效率不同等級之太陽能電池分別予以照射一正常光源、一長波長光源或一短波長光源，以量取該些太陽能電池之電性數據，及基材區或製程層個別之電性數據，正常光源為一太陽光模擬光源，而上述之長波長光源，或短波長光源是相對正常光源波長範圍而言；設定一警示標準；對生產線上之每一太陽能電池依序以正常光源照光，量取該些太陽能電池之電性數據，並依據警示標準發現效率異常之太陽能電池；對效率異常之太陽能電池再施以長波長或短波長光源照射，以得到主要來自基材區或製程層的電性數據。

最後，比對資料庫及效率異常太陽能電池在不同照光條件下的電性數據，以即時判別太陽能電池效率異常的原因，是出自於基材區或是製程層。

本發明所提供的方法，一旦發現太陽能電池效率不佳時，可以立即分辨是製程或原料本身的原因所造成的，有助於工程人員立即決定後續的處理方式，以減少損失。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明之太陽能電池的電性分析方法，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下。

如前所述，太陽能電池完成所有製程，結構可大致分為一基材區及一製程層，其中，製程層位於基材區表層，自太陽能電池表面至10μm之深度。當太陽能電池光電轉換效率不佳時，本發明係以一正常光源，配合一外加光源，比如：長波長光源或短波長光源，來進行檢測。

其中，正常光源為一太陽光模擬光源，而上述之長波長光源，或短波長光源是相對該正常光源波長範圍而言，其中，長波長或短波長光源係為一外加光源，或以一過濾片過濾正常光源而得。在本發明實施例中，長波長光源波長範圍大約700至1100 nm，而短波長光源波長範圍大約400至500 nm，但實際上，此二光源也可以選擇波長在上述範圍內的單色光。

由於長波長光源最多可以穿透太陽能電池表面以下深度約100至150μm，而太陽能電池表面製程深度大約只有10μm，所以，測得的電性數據可以代表太陽能電池基材區的電性，而忽略太陽能電池表面製程對電性結果的影響。

而短波長光源僅能到達太陽能電池表面以下深度約10μm的地方，所以測出的結果，即代表製程層的電性數據。所以，本發明以上述兩種外加光源作檢測，來分辨太陽能電池良率不佳的原因，是基材亦或製程因素所造成。

詳細的檢測步驟請參照圖2，為本發明實施例之流程圖。如步驟S200，建立一資料庫。所述資料庫的建立，係以收集光電轉換效率不同等級之太陽能電池分別予以照射一正常光源、一長波長光源或一短波長光源，以量取該些太陽能電池之電性數據，及基材區或製程層個別之電性數據。資料庫可以一查察表或是關係圖的方式來表示。

在本發明實施例中，建立資料庫的方式如步驟S201~S203。繪製的方式包括：以正常光源所測得該些太陽能電池電性數據為Y軸；長波長光源或短波長光源所測得的基材區或製程層的電性數據為X軸，繪製一關係圖，並預設一誤差容許範圍，如圖3所示。關係圖包括至少一關係曲線。

在本實施例中，利用所述正常光源、長波長或短波長光源照射該批不同等級之太陽能電池，以量測電性時，可以得知光電轉換效率，及影響光電轉換效率的三個因素：填充因子(filled factor)、開路電壓(V_oc )及短路電流(I_sc )。

由於在實際製程中，光電轉換效率很容易受到製程參數，比如：太陽能電池表面電極線之線寬之粗細而略有不同，因此，在本發明實施例中，從所量測到的電性數據中，選擇以開路電壓(V_oc )或短路電流(I_sc )其中之一，來繪製關係圖較佳。

請參照圖3，係依照上述方式所繪製之關係圖作為資料庫。圖中包括三條線性關係曲線20~21，由下而上分別是以短波長光源、正常光源及長波長光源照射太陽能電池，所測得之開路電壓(V_oc )，作為X軸來繪製的。另外，在本發明較佳實施例中，係設定關係曲線的誤差容許範圍大約3至5%。

接著，設定一警示標準，如步驟S205。設定警示標準時，是以正常光源照射生產線上的太陽能電池，並量測光電轉換效率，當其中一太陽能電池的光電轉換效率，低於一預定值時，就立即進行下列步驟，來檢測該片太陽能電池效率不佳之原因。其中，此預定值可以由廠商依照客戶需求來設定，或由廠商本身來設定。

如步驟S210，對生產線上之每一太陽能電池依序以正常光源照光，量取該些太陽能電池之電性數據，並依據警示標準發現效率異常之太陽能電池。

如步驟S215，對效率異常之太陽能電池再施以長波長光源或短波長光源照射，以得到主要來自於太陽能電池基材區或製程層的電性數據。

最後，如步驟S220，比對資料庫及效率異常太陽能電池在不同照光條件下所量測到的的電性數據，以即時判別太陽能電池效率異常的原因，是出自於基材區或是製程層。

本發明實施例中，判別方法包括：將以正常光源照射效率異常之太陽能電池，所量測到的電性數據設為Y座標，如步驟S221。接著，將以長波長或短波長光源照射效率異常的太陽能電池，所量測到的電性數據設為X座標，如步驟S222。最後，藉由判斷座標(X，Y)在關係圖中，位置是否落在關係曲線上或誤差容許範圍內，如步驟S223，若”是”，則該太陽能電池效率異常的原因出自於基材，若”否”，則出自於製程。

此處並以圖4A及圖4B舉例如下。首先參照圖4A，係顯示以長波長光源照射太陽能電池所測得之開路電壓，也就是基材區開路電壓作為X軸，正常光源照射太陽能電池所測得之開路電壓為Y軸的關係圖。其中，4a、4b、4c三點分別代表三個效率異常之太陽能電池之量測結果。由圖4A中，可以看出4a及4b測試片之量測座標值分別為(V_sb,a ，V_ay )，(V_sb,b ，V_by )。

4a測試片的X座標值V_sb,a ，比對資料庫所建立的關係曲線22，原本應該對應到V_oc,A ，但因為製程因素，才造成實際值V_ay 與標準值V_oc ,_A 有所偏差；4b測試片之狀況亦然。所以，4a點及4b點係代表4a和4b兩個測試片效率異常的原因，主要是來自於製程層。

請再參照圖4A中，4c測試片之量測座標值分別為(V_sb,c ，V_cy )，恰好落在關係曲線22上。由於V_cy 為實際量測值，表示4c測試片的效率不如預期是因為基材本身特性就不佳所造成的。

在另一實施例中，圖4B顯示以短波長光源照射太陽能試片，所測得之開路電壓，也就是以製程層開路電壓做X軸。正常光源所測得之開路電壓為Y軸的關係圖。其中，4a’、4b’、4c’三個測試片的狀況及判斷方式與圖4A相同。

綜上所述，藉由本發明實施例之方法，可以立即判別太陽能電池效率不佳的原因所在，本發明的方法具有下列優點：

(1)　方法簡便，成本低廉，可以使流程自動化。只要設定程式，一旦檢測到太陽能電池效率低於一預定值時，再以外加光源進行檢測，並比對資料庫，即可判別異常產生原因，對於原本就製備太陽能的廠商來說，幾乎不會因此而產生多餘的檢測成本。

(2)　可以即時對製程有問題之生產線進行狀況之排除，以避免大量損失。在太陽能電池效率發生異常時，就迅速判定是製程因素還是原料本身的因素，不需要等待一整天的生產線停止後，再對低效率片做抽樣檢驗。

(3)　可以節省時間成本，也避免僅是因為原料本身問題，白白耗費一兩天時間，將生產線停止來分析，造成的生產量降低的問題。

(4)　針對原料為多晶，非晶或是單晶的太陽能電池皆可使用本發明之方法，達到快速檢測原因的目的。特別是使用非晶或多晶原料時，較容易產生難以判別是製程或原料而造成效率不佳的問題，利用本發明實施例之方法，更能發揮其功效。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1．．．太陽能電池

10．．．基材區

11．．．製程層

110．．．摻雜層

111．．．抗反射層

112．．．金屬電極

S200、S201、S202、S203、S205、S210、S215、S220、S221、S222、S223．．．檢測步驟

20~22．．．關係曲線

圖1習知太陽能電池結構之簡單示意圖；

圖2本發明即時判定太陽能電池效率異常原因的方法之流程圖；

圖3　以正常光源、長波長及短波長光源照射太陽能電池，所測得之電性數據之關係圖；

圖4A以正常光源、長波長光源照射太陽能電池，所測得之電性數據之關係圖；及

圖4B以正常光源、短波長光源照射太陽能電池，所測得之電性數據之關係圖。

Claims

一種太陽能電池的電性分析方法，可即時判別生產線上太陽能電池效率異常原因，是來自該太陽能電池的基材或製程，其中，該太陽能電池已完成所有製程，具有一基材區及一製程層，該方法包括以下步驟：建立一資料庫，該資料庫係以收集光電轉換效率不同等級之太陽能電池，分別予以照射一正常光源、一長波長光源或一短波長光源，來量取該些太陽能電池之電性數據，該正常光源為一太陽光模擬光源，而上述之長波長光源，或短波長光源是相對該正常光源波長範圍而言；設定一警示標準；對該生產線上之每一太陽能電池依序以該正常光源照光，量取該些太陽能電池之電性數據，並依據該警示標準發現效率異常之太陽能電池；對該效率異常之太陽能電池再施以該長波長光源或該短波長光源照射，以得到主要來自於該太陽能電池基材區或在製程層的電性數據；及比對該資料庫及該效率異常太陽能電池在不同照光條件下的電性數據，並判別該太陽能電池效率異常的原因。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，建立該資料庫的方法包括：分別在該正常光源照射下，所測得該些太陽能電池之電性數據為Y軸，該長波長光源或該短波長光源照射下，所測得的該些太陽能電池的電性數據為X軸；及繪製一關係圖，該關係圖包括至少一關係曲線，並預設一誤差容許範圍。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，判斷該太陽能電池效率異常的原因是出自於基材或是製程的方法包括：將以該正常光源照射該效率異常之太陽能電池，所量測到的電性數據設為Y座標；將以該長波長或短波長光源照射該效率異常的太陽能電池，所量測到的電性數據設為X座標；及判斷座標(X，Y)在該關係圖中，位置是否落在該關係曲線上或該誤差容許範圍內，若”是”，則該太陽能電池效率異常的原因出自於基材，若”否”，則出自於製程。
如申請專利範圍第2或3項所述的方法，其中，量測到的電性數據中，係選擇開路電壓(V_oc )或短路電流(I_sc )其中之一作為X軸及Y軸。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該正常光源波長範圍大約400至1100 nm，該長波長光源之波長範圍大約700至1100 nm，該短波長光源之波長範圍大約400至500 nm。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該長波長光源或該短波長光源係為一外加光源，或以一過濾片過濾該正常光源而得。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該方法係針對原料為多晶，非晶或單晶的太陽能電池。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，設定該警示標準時，是以正常光源照射生產線上的太陽能電池，量測光電轉換效率，當發現所量測到的光電轉換效率低於一預定值時，就立即進行後續步驟，來檢測該片太陽能電池效率不佳之原因。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該誤差容許範圍大約3至5%。