电致发光(EL)原理及在太阳电池 缺陷检测中的应用-姚骞 金井升 朱生宾

电致发光EL原理及在太阳电池 缺陷检测中的应用 姚骞金井升朱生宾 2009/11/19 1 电致发光原理. 电致发光是一种直接将电能转换为光能的现象。 按照原理可分为低场电致发光和高场电致发光。 低场电致发光又称为注人式发光 半导体发光二极管 LED就是这种发光方式低场电致发光又称为注人式发光 ， 半导体发光二极管 就是这种发光方式 。 当PN结两端加正向偏压时，载流子注入穿越PN结，使得载流子浓度超过热平衡值，形 成过量载流子。过量载流子复合，能量以热声子或光光子的形式释放。在光子发射 过程中 偏压的电能转化为光能 这一过程称为注入式电致发光 其原理如图 1a 1b过程中 ， 偏压的电能转化为光能 ， 这一过程称为注入式电致发光 。 其原理如图 、 图1 PN结能带图左热平衡状态；右加正向偏压 在P侧，注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能量 为Eg的光子。在N侧，注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同样发射出能 量为Eg的光子。上述发光方式称为带间复合发光。对于Si，该方式发光的波长为 nm Eg hc 1110λ 在掺杂的Si晶体中存在施主、受主能级，其它杂质能级，缺陷能级等，注入的非平衡载 流子也可在上述能级间复合发光，因为上述能级间能量小于Eg，因此辐射的光波长大于 1110nm。。 图2 Si电注入发光谱图 图2为Si电注入发光谱。可以看到，左侧有个峰值，对应于1110nm，为Si的带间复合 发射峰 由于载流子的热分布 电子并不完全处于导带底 空穴也不完全出于价带发射峰 ， 由于载流子的热分布 ， 电子并不完全处于导带底 ， 空穴也不完全出于价带 顶，因此带间复合的发射光谱有一定的宽度。对于Si，其带间复合宽度在 1000nm1300nm之间。 在图2右侧1300nm1700nm间也存在发光光谱，该光谱主要为缺陷能级复合的发光 光谱。 电致发光的亮度正比于总的非平衡少数载流子数量，正比于少子扩散长度，正比于电流密 度，如图3所示 Excess Minority Carrier Density /exp 0 nKTeVJJ ff p n Diode Current/Voltage Edge of Depletion Total Carrier Number ep L 0 nN Excess Carrier /expnn 0 epxp Lx− ） ∞x layerx0 f Ve EL Density epL LnNI 0 ∝∝ 0 f V 图3.EL亮度与少子扩散长度的关系 2 电致发光 （ EL） 缺陷检测仪结构. （ ） 缺陷检测仪结构 电致发光EL缺陷检测仪结构 图4.电致发光缺陷检测仪结构 当太阳电池加正向偏压时 可以将其看作 一 个发光效率很低的发光二极管当太阳电池加正向偏压时 ， 可以将其看作 个发光效率很低的发光二极管 。 3. EL应用介绍 EL缺陷检测仪在正向偏压下，可检测如下所示的太阳电池、组件缺陷 材料本身所有的缺陷 工艺过程所造成的缺陷 晶界、穿孔、污染、隐 裂等 裂片、断栅、制绒过腐蚀、扩散 问题、过刻、烧结网 纹 、漏电、 裂等 接触电阻过大等 在反向偏压下，可以检测电池片中因各种缺陷所造成的漏电，可通过不同电压值下漏电流 大小并结合图片发现漏电的区域和严重程度。 4. El 图片分析（正向电压） 正常的电池片 正常电池片EL照片亮度较高，亮度分布较均匀。 裂片 片为 情 片前或 根裂 片 可分 为 隐裂和显裂两种 情 况，且裂 片 要区分烧结 前 裂 或 烧结后裂，区分时可 根 据正向 反向同时扫描进行区别判断 材料缺陷 Eta12 Eta14 Eta15 效率从左至右逐渐增加。电池片中部有圆形图案，可 能为拉晶过程中的氧杂质环。 烧结炉带网纹 在烧结过程中 硅片与炉带接触处铝背场烧结不良 导致该处 BFS钝化效果不好在烧结过程中 ， 硅片与炉带接触处铝背场烧结不良 ， 导致该处 钝化效果不好 ， 相应部位表面复合较大，因此在EL图片上形成反差。 断栅 因为断栅部位电流密度较小，因此EL亮度较小， 形成反差。可注意到，在有断栅点 的栅线上，靠近主栅的一侧较亮，而远离主栅的一侧 因为电流无法到达，所以较暗。 刻蚀过度 正常刻蚀边缘比较平滑光洁，而刻蚀过多后边缘会有明显的 锯齿波纹。该现象可能有两种情 况，a. 刻蚀过度，但是正表面没有反型还是N型 ，因为刻蚀导致该处薄层电阻过大，电流密 度降低，E L亮度降低，产生反差；b. 刻蚀过度，正表面反型变成P型 ，该处没有p-n结，不 存在电注入发光效应，在EL亮度为零，呈现黑边。 晶界、网纹处漏电 网纹 网纹 网纹 网纹 晶界 晶界 图示为同一片电池片，左图为正向偏压，右图为反向偏压。 可以看到，网纹、晶界处El亮度较 低，并往往是漏电部位。 多片在 成 在 其学注网纹为 多 晶硅 片在 铸锭过程中形 成 的晶格缺陷， 在 酸腐蚀过程中，因为 其 化 学 反应的激 活能较低，因此腐蚀较深，形成网纹。因为硅片很薄，因此 制绒后，网纹在硅片正反面总是 对称分布的。 边缘漏电 图示为同一片电池片，左图为正向偏压，右图为 反向偏压。右图边缘发亮的点为漏电部位。 划痕 在划痕处，表面晶格损伤，复合严重，因此EL亮度较低。 El与Correscan对应关系--烧结不良 左图EL测试，接触电阻大的部位因为电流密度小所以较暗; 右图Corescan接触电阻扫描，发 白的地方接触电阻大 可以看到两者存在明显对应关系白的地方接触电阻大 ； 可以看到两者存在明显对应关系 。 EL与WT2000少子寿命测试结果比较 红外相机反向偏压 WT2000少子寿命 EL亮点处为反向偏压测试时的 漏电点 可以看到 ， 少子寿命低的部位 ， EL亮度往往较低。， ， 低效片与高效片的EL对比 低效片 高效片 在没有明显缺陷情况下 第一幅图片所示的电池片 EL亮度较低 而第二幅图亮度高 且， ， ， 且 亮度分布均匀。左边的电池片效率低于右边的电池片。 温度对EL的影响 本征缺陷晶格缺陷、晶界等的EL图像对温度 较敏感；而非本征缺陷裂纹、断栅等 导致 的EL图像对温度变化不敏感。因此可以通过不同温度下 的EL图像的差别来对其加以区分。 此处有裂纹，在不同温度下拍摄的EL图片差别不大 此处为晶格缺陷处，制绒后表现为网纹。在室温下该处E L图像较暗，在高温下， 该处EL图像反差消失。 Reference SELECTIVE IMAGING OF DEFECTS AND FAULTS IN Si SUBSTRATES BY EL ECTROLUMINESCENCE DIFFERENTIATED IN TEMPERATURE. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy 5. 光致发光PL简介 光致发光Photoluminescence 使用光源LED灯或者激光照射硅片表面，在硅片内产生 非平衡载流子。一部分激发的电子会返回禁 带 ， 与空穴复合 ， 多余的能量以光子的形部带， ， 式释放，该过程称为光致发光。使用高分辨率的CCD摄像头接收发光光谱，并形成2D 图像，可用于太阳电池分析。仪器结构如下图 光致发光图形分析是一种非接触式，快速的测试手段。可用于太阳电池工艺的任一阶段。 能够检测少子寿命分布可在很低的注入水平下10 8 10 9 cm -3 测试，串联电阻、并联电阻 分布，以及太阳电池的工艺缺陷。 20 有必要对该检测技术进行深入了解和跟踪。 谢谢