PERC电池EL黑斑分析报告

随着PERC电池成为光伏行业的主流产品，以及EL测试技术在电池生产过程中的大范围应用，有效控制生产过程中的EL不良成为提高良率的重要内容，本文将介绍PERC电池EL黑斑分析报告，期待和您共同进步。
前言——黑斑
1. PERC 电池结构图2. 黑斑产生机理硅片表面是晶体的一个断面，由结晶学可知，表面所有晶格都处于破坏状态，有一层或多层硅原子键被打开，呈现一层到几层的悬挂键→不饱和键。非饱和化学键活性高，处于不稳定状态，极易与周围的分子和原子结合起来，即所谓的吸附，被吸附的杂质粒子并不是固定不动的，而是在其平衡位置附近不停的振动着，其中一些被吸附的杂质粒子由于获得较大的动能而脱离硅片表面，重新回到周围介质中去，现象为“解吸”，同时介质中的另一些粒子又会在硅片表面上重新被吸附，因此车间环境的粉尘杂质容易对电池片造成污染。3. 黑斑种类a. 无规则的黑斑麻点多为湿法工序药液残留，溶液污染，台面脏污，风刀及气枪扬起的灰尘和硅片碎屑，车间环境中的粉尘颗粒。b. 有规则的黑斑麻点多为自动化皮带脏污，滚轮脏污，工装夹具污染，人为操作（手指印），与硅片固定区域接触而造成。c. 硅片表面污染如果未造成缺陷可能只会导致外观不良，并不会造成EL黑斑，并且部分黑斑可通过SEM分析是硅片10um表面层污染还是内部杂质污染。
1. EL / PL 测试系统 1.1 EL / PL 测试系统1.2 EL 电致发光原理当给太阳电池加正向偏压，PN 结的势垒降低，载流子通过势垒注入到扩散区成为非平衡少数载流子(非少子)，不断与多数载流子(多子)复合而发光，被CCD 采集并转换成图像，载流子复合越多，相应的EL 图像越亮，反之图像发暗。1.3 EL 电致发光作用EL测试的图像亮度与电池片的少子寿命（或少子扩散长度）与电流密度成正比，在有缺陷的区域，其少子扩散长度低，发光强度弱。由于电池片中有缺陷区域没有发出红外光，从而形成“暗区”，故在EL图像中呈现“黑斑”。1.4 PL 光致发光原理
半导体中的电子吸收外界光子后被激发，处于激发态的电子是不稳定的，可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量，然后被CCD相机捕捉并转换为图像。1.5 PL 光致发光作用PL 测试主要用于对电池片杂质及缺陷分布进行检测，对造成少子寿命降低的原因进行系统的分析，PL检测可以对硅片、绒面、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等各工艺环节进行检测和分析。1.6 拓展 1：光学分析/电学分析内容1.7 拓展 2：电性能异常参考分析a. Uoc 异常情况工序分析b. Isc 异常情况工序分析c. Rs/Rsh 异常情况工序分析
2. EL 黑斑分析——制绒
2.1 正/背面药液残留影响a. 正表面的点状药液残留（水、灰尘、灰尘水、酸、碱），导致扩散后部分区域PN结不良，表层受污染。

正面残留
	水	灰尘	灰尘水	酸	碱
扩散后	无异常	黑色麻点	黑点	黑斑	白斑
镀膜后	无异常	白点	白点	无异常	无异常
EL	无异常	无异常	黑点	黑斑	黑斑
一般有水残留时会有脏污	外观不良

b. 背表面的点状药液残留（水、灰尘、灰尘水、酸、碱），导致后续镀氧化铝时该点氧化铝失效（可能性较小，刻蚀抛光会去除掉）。

背面残留，刻蚀抛光会去除掉
	水	灰尘	灰尘水	酸	碱
扩散后	无异常	无异常	无异常	无异常	无异常
镀膜后	无异常	无异常	无异常	无异常	无异常
EL	无异常	无异常	无异常	无异常	无异常
注意：此液体残留在扩散前已经风干，不会形成贴片烧黑情况

c. 制绒工序的药液残留会导致扩散后的相应区域PN结不良。2.2 烘干槽金属粉尘污染烘干槽内部洁净度变差，对麻点影响很大。2.3 SEM 绒面分析图 
与正常区域相比，黑斑区域有白色短绒状物质覆盖在绒面上，进一步的元素分析表明，黑斑区域铜(Cu)和氧(O)两种元素的含量较高 ，怀疑为刻蚀滴液或制绒工序污染所导致。2.4 制绒后在制时间的影响湿法后的硅片由于表面HF及HCL作用结构变化，以及空气中的杂质容易吸附，放置时间越长，杂质在硅片表面残留得越多，经过高温扩散后，导致缺陷区域越大。2.5 制绒黑斑改善总结a. 单晶PERC电池制程往往与清洗过程中有杂质残留有关，提高生产过程中工艺的洁净度（环境洁净度&槽体洁净度）和腐蚀清洗去污质量是减少黑斑的有效途径。
b. 禁止存在药液残留，提升烘干效果。c. 因正面需要经过扩散制备PN结，在放置过程中尽可能保证电池片正面朝下，减少正面污染。d. 减少在制存放时间。
3. EL 黑斑分析——刻蚀
3.1 正/背面药液残留影响a. 正表面的点状药液残留（水、灰尘、灰尘水、酸、碱），经过后续高温退火时，复合变大，局部点状正面PN结被破坏。

正面残留
	水	灰尘	灰尘水	酸	碱
镀膜后	白斑	白点	白点	白点	白点
EL	无异常	黑点	无异常	黑点	黑点

b. 背表面的点状药液残留（水、灰尘、灰尘水、酸、碱），局部点状背面氧化铝钝化失效。

背面残留
	水	灰尘	灰尘水	酸	碱
镀膜后	无异常	麻点	白点	白点	白斑
EL	无异常	麻点	灰点	黑斑	严重黑斑
		外观影响	外观影响	外观影响	外观影响
刻蚀工序的药液残留，经过高温退火时，背面的背钝化失效

3.2 烘干槽污染
刻蚀后的烘干效果对硅片的洁净度至关重要，烘干效果差水分残留，车间环境中的杂质容易附着到表面，在与退火高温后形成脏污。3.3 皮带&滚轮污染叠片卡片后带液到皮带与滚轮上，导致二次污染。3.4 刻蚀后在制时间刻蚀后的硅片表面对洁净度要求极高，在制时间太长或洁净度太差，稍有脏污就会污染硅片，钝化后缺陷放大，容易造成黑斑。3.5 刻蚀黑斑改善总结a. 提高生产过程中工艺的洁净度（环境洁净度&槽体洁净度）和刻蚀清洗效果是减少黑斑的有效途径。
b. 禁止出现药液残留以及叠片异常，提升烘干效果。c. 减少刻蚀自动化皮带脏污，金属轴承磨损、滚轮脏污，工装夹具污染，人为操作等造成的污染。
4. EL 黑斑分析——扩散&退火&SE
4.1 扩散&SE&退火黑斑影响a. 扩散退火炉管，导致高温扩散时硅片正面沾附脏污，污染PN结，并经高温扩散成点状黑斑。
b. 炉门偏磷酸，污染物会随着高温扩散到硅片局部，相邻区域递减扩散受污染造成黑斑。
c. 石英舟未清洗干净、烘干未完全、未饱和完全，造成的舟齿印黑斑。
d. 局部方阻偏高，造成的高方阻黑斑。e. 小氮进出气携带的气体受污染，易在扩散后表面形成小黑点。f. 自动化运行过程中的金属磨损、油污、以及其他磨损脏污，造成的黑斑。
j. 退火杂质掉落吸附在硅片表面后，会影响到电池片的钝化层。h. 激光除尘时需要做好防护，避免污染车间，另外激光除尘较差时，会造成大面积的麻点。4.2 扩散退火黑斑改善总结a. 确保扩散工序及扩散前的环境洁净度良好，自动化避免脏污、金属磨损及其他物质磨损导致的粉尘掉落到硅片表面造成污染。b. 退火避免划伤类黑斑，保持高温环境的洁净度。c. SE激光主要避免硅片粉尘污染，吸盘污染以及皮带划伤导致的黑斑。
5. EL 黑斑分析——镀膜
5.1 内部气体/电场异常导致黑斑
PERC镀膜气流走向紊乱或电场紊乱，导致局部氧化铝沉积膜厚不达标，从而局部钝化失效。5.2 设备内部脏污导致黑斑

背钝化设备保养周期EL黑斑比例影响
保养周期	保养前（120h）	保养后
D1	D2	D3	D4	D5	D6
黑斑比例/%	0.14	0.16	0.19	0.30	0.35	0.50	0.14

钝化设备保养（清理腔体内Si3N4残留物）前后，可以发现保养对EL黑斑控制有明显的作用。临近保养时产品出现EL黑斑的比例达到最大0.497%，通过保养能够对EL黑斑进行有效控制。5.3 设备内部脏污导致黑斑

石墨框磨框	掉粉到硅片表面污染
石墨框脏污	洁净度变差
保养	开腔保养后车间粉尘漂浮
电极孔掉粉	电极孔和电极头不匹配撞击石墨粉掉落
石墨舟打孔	石墨粉尘污染舟表面
石墨舟脏污	未清洗干净、烘干未完全、未饱和完全，造成的舟印
自动化皮带	皮带脏污、轴承磨损造成的粉尘颗粒污染
吸盘脏污	吸盘内气体含有杂质、吸盘材质污染

5.4 镀膜黑斑改善总结a. 对于皮带造成的黑斑，可通过改变皮带材质、优化伸缩板传动方式，背钝化工序可采取扩散面接触皮带，镀膜工序可采取背面（背膜）接触皮带。b. 对于吸盘类黑斑，通过优化吸盘材质（PEEK/特氟龙/陶瓷）、洁净度等进行改善。c. 对于石墨舟、石墨框造成的黑斑，可通过定期清洗、饱和进行处理改善。d. 保养粉尘造成的黑斑，需要对保养区域进行隔离，涉及到接触硅片的地方进行保护。
6. EL 黑斑分析——印刷
6.1 浆料印刷污染背电极印刷停机时间太长，浆料通过印刷图形处的网版处污染到其他区域6.2 接触不良激光、烧结工序，槽孔太小或烧结不匹配导致铝浆与硅片接触不良造成的麻点。6.3 断栅虚印因断栅虚印导致的EL不良。6.4 通过3D显微镜查看缺陷进行分析
6.5 其他因素a. 在制时间影响

在制时间对EL黑斑的影响
在制/h	0.5	0.8	1	1.2	1.5	2	3	5	8	10
比例/%	0.16	0.15	0.17	0.17	0.2	0.27	0.47	0.63	0.74	0.78

制绒后、刻蚀后、退火后时间控制在45min以内，扩散后、镀膜后在制时间控制在12小时以内。b. 环境湿度影响

环境湿度对EL黑斑比例的影响
湿度/%	30	35	38	40	42	45	48	50	55	60
比例/%	0.45	0.47	0.43	0.42	0.37	0.32	0.29	0.22	0.17	0.17

当环境湿度≥55%时，EL黑斑比例在目标范围内，随着湿度进一步降低，不良比例显著增加；当湿度低于38%时，EL黑斑比例近0.5%。因此控制湿度有利于EL黑斑不良的改善。

c. 洁净度影响

EL黑斑控制的主要改善方法是控制制程中的洁净度，并减少产品与空气中杂质接触的机会，其中的S元素及金属元素Ca、Zn、Sr和Co含量超标，这些杂质在晶硅电池复合中心，降低扩散长度以及少子寿命，避免杂质接触产品影响少子寿命，影响产品的电学性能。

d. 划伤黑斑e. 以上是针对EL黑斑进行的相关分析，如有错误之处以及其他方面的问题，可通过下方进行留言讨论。来源：光伏俱乐部、光伏技术

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