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物理学原理在光伏硅产品检测中的应用

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  摘 要:根据检测对象、检测性能参数以及检测方法的不同,对光伏硅产品的检测项目进行了分类和介绍。从力学、热学、光学以及电磁学等几个方面,对物理学原理的应用进行了举例说明。明确了物理学在光伏硅产品检测中的作用,必备物理学知识的掌握,有助于加深检测原理的理解、提升检测技能水平,也有望为光伏检测相关专业的人才培养提供思路和帮助。
  关键词:物理学;光伏;硅产品;检测;应用
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.049
   物理學是研究物质运动规律和物质基本结构的学科,其在电子信息、机械加工、工程技术以及分析测量等各领域和各学科中,都有着十分广泛和重要的应用。光伏硅产品检测指单(多)晶硅原辅料、硅片、太阳电池片、光伏组件以及光伏发电系统的检测与分析,是保障光伏产品质量的重要手段、是相关应用技术人员所要掌握的重要技能,它要求检测人员熟悉检测原理,并能将物理、化学等知识灵活应用于检测实践。而物理学原理的应用贯穿于整个光伏硅产品产业链,起着至关重要的作用。所以,熟悉所需物理知识并掌握物理学原理在其中的应用,一方面,可加强检测原理的深入理解,为学生检测技能水平的提高创造条件;另一方面,可帮助教师根据专业需求设计教学重点,从而提高人才培养的实用性和有效性。
  1 光伏硅产品检测类型及项目
   根据检测对象的不同,光伏硅产品的检测可以划分为:晶硅原辅料检测、硅锭(棒)的检测、硅片的检测、晶硅电池片的检测、光伏组件的检测以及光伏发电系统的检测[1]。也可根据检测的性能参数分为:光伏硅产品的外观检测、机械强度检测、电学参数检测以及光学性能检测[2]。另外,根据检测的方式方法的不同,又可分为生产线上的自动分选检测与人工检测。晶硅原辅料杂质的检测项目主要包括:三氯氢硅中痕量杂质检测、工业硅中铁、铝的检测以及三氯氢硅(四氯化硅)中硼的检测。晶硅原辅料水分的检测项目主要包括:氯化氢中水分的检测和液氯中水分的检测。硅锭(棒)杂质的检测项目主要有:多晶硅中基硼、基磷的检测以及晶体硅中基碳、氧的检测。硅锭(棒)电学性能检测项目主要有:导电类型的检测、少子寿命的检测以及电阻率的检测。硅锭(棒)晶体类型检测项目主要包括:单晶硅定向的检测和单晶硅中缺陷的检测。硅片外观检测项目主要有:硅片直径的检测、硅片弯曲度与翘曲度的检测及硅片厚度与总厚度的检测。硅片表面质量检测项目主要有:硅片平整度的检测和硅抛光片表面质量的检测。晶硅电池片外观检测项目主要有:尺寸检测、缺陷检测以及弯曲度检测。晶硅电池片电学参数的检测项目主要有:电池片I-V特性检测、电池漏电缺陷检测、接触电阻、开路电压与短路电流分布的检测。晶硅电池片光学检测项目主要有:太阳电池光致(电致)发光检测、电池片厚度及折射率检测、电池片表面反射率的检测。光伏组件材料检测项目主要包括:面板玻璃的检测、背板的检测、EVA胶膜的检测以及涂锡焊带的检测。光伏组件电学性能的检测项目主要有:光伏组件I-V检测、PID检测以及绝缘性检测。光伏组件机械强度检测项目主要有:引出端强度检测、冰雹撞击检测以及机械载荷检测。光伏组件抗老化检测项目主要有:室外曝露检测、紫外线检测、热斑耐久检测以及热循环检测。光伏发电系统安全检测项目有:外观的检测、防雷与接地的检测。光伏发电系统电学性能检测项目主要包括:逆变器的检测、电能质量的检测以及蓄电池与充放电的检测。
  2 光伏硅产品检测中的物理学原理
   光伏硅产品检测中的物理学知识主要包括:力学、热学、光学以及电磁学。物理实验方法中蕴含的思想可以提升思维能力,给思考过程带来灵感和创意[3],还能促进工艺改善、推动技术革新,进而为培养创新型高端技术人才奠定基础。根据光伏产业检测岗位的职业规范以及光伏产品的检测标准,现就一些主要检测项目的物理学应用进行简单介绍:
  2.1 力学应用
   力学原理在光伏硅产品检测中的应用,主要指通过物质之间的相互作用,测量受力下的形变,或是根据受力物体的运动规律判断其性能及质量。在晶硅电池及光伏组件的原材料检测中较为常见,如硅太阳电池浆料附着力检测:主要针对烧结后形成的铝硅合金,应用拉力计,采用拉开法检测铝浆与电池硅基体之间的附着力;钢化玻璃的钢化强度检测:采用钢球在距离玻璃1~1.2m处自由下落,撞击后检查玻璃是否破碎;光伏组件的背板层粘接强度检测:要求划开夹层,一边夹紧,另一边用拉力计测试粘接拉力,一般要求拉力大于20N为合格;光伏组件机械强度以及最大承压检测:根据IEC61215-2005测试标准,采用直径25mm±5%、质量为7.53g±5%的冰球以23m/s的速度撞击,测试是否产生严重缺陷,并检测最大输出功率的衰减情况;接线盒连接器抗拉力检测:接线盒与连接器连接,固定接线盒,用拉力器测量能承受的拉力,一般大于10N为合格;组件机械载荷及冰雹撞击检测:主要通过模拟自然环境中积雪的承受、冰雹载荷情况,采用一定动量的冰雹从不同角度撞击组件,检测其外观缺陷及电性能的衰减情况。
  2.2 热学应用
   热学原理在光伏硅产品检测中的应用,主要是利用温度或能量的差异,检测与热力学性质相关的性能参数并对其分析和判断。如冷热探笔法测单晶硅的导电类型:在待测样品上压上两根金属探笔,一根通过电阻丝加热(40~60℃)作为热探笔,在两接触点上产生温度差,根据塞贝克效应,就会在检流计回路中形成一定方向的温差电流,以此判断晶硅的导电类型;晶硅电池漏电检测:根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律:P=εσT4(P-单位面积辐射功率,σ-物体表面的发射率,ε-斯蒂芬-玻尔兹曼常数),如果硅太阳电池以某种形式注入能量,电池内部就会形成温度场分布,缺陷部位的温度与周围形成差异,漏电区域产生的热量会向周围扩散,形成温度梯度分布,由红外热像仪接收红外辐射,形成热像图;组件热循环检测:在自动控温的气候室内,组件在40~80℃之间进行循环测试,并在极端温度下保持一定时间,检测组件短路、电性能衰减、绝缘电阻等情况,以此判断组件由于外部温度变化引起的热应变能力。   2.3 光学应用
   光学原理的应用,在光伏硅产品的检测中十分重要,特别在单晶硅料、硅片的检测中较为常见,主要通过光波与物质间的作用,产生激发、发射现象,根据光波的反射和衍射,利用接收到的红外光谱、可见光光谱或X射线衍射光谱,对检测对象进行分析和判断。如单晶硅定向检测:主要包括光圖定向检测和X射线定向两种方法,都应用到了光学原理,在光图定向检测过程中,当平行光入射到硅单晶腐蚀坑时,会被密排平面反射到不同的方向,反射光会在光屏上显示晶体的光象,根据光象的对称性以及光图中心的偏离角,确定晶体的生长方向;单色X射线定向检测:是利用单色X射线照射到待测晶体上,使其在某晶面产生衍射,改变晶体位置,使该晶面放置位置相对入射的X射线满足布拉格方程:nλ=2dsinθ(λ-X射线波长,d-晶面间距,n-衍射线级数,θ-入射光和反射平面的夹角),不同结构的晶体和不同晶面其衍射线方位不同,根据衍射线的方位来确定晶体的取向;晶体硅中碳氧杂质的红外光谱检测:分子中原子键的振动频率与红外光某一频率相同时,分子就会吸收此频率的光发生振动能级跃迁,产生红外吸收光谱,氧在硅中主要有三个红外吸收峰:硅氧键的对称伸张振动(1205cm-1)、硅氧键的扭曲振动(515cm-1)和硅氧键的反对称伸张振动(1105cm-1),碳主要有两个红外吸收峰:607.2cm-1和1217cm-1,利用红外吸收光谱对晶体硅中的碳氧杂质进行定性及定量分析;光学投影法对硅片直径的检测:利用光学投影仪放大待测试样图像,通过调节使硅片边缘轮廓清晰地显示在显示屏上,利用螺旋测微计读数测量;掠入射干涉法对硅片平整度的测量:硅片待测表面尽可能平行地靠近干涉仪基准平面(25~50μm),单色光源平面波受待测平面和基准平面的反射,形成干涉条纹,分析干涉条纹可度量待测平面的平整度(TIR),TIR=dM(TIR-硅片平整度,d-干涉仪灵敏度,M-测量时干涉条纹总数目);金相显微镜法观测位错密度:利用金相显微镜对位错腐蚀坑进行放大观察,近似计算硅晶体中的位错密度大小,显微镜的放大倍数M=M物×M目,M物=△/f(△-光学镜筒长度,f-物镜焦距);硅太阳电池光致发光(PL)检测,使用激光或LED光源照射硅片表面,在内部产生非平衡载流子,一部分激发的电子与空穴复合,多余能量以光子释放,通过CCD摄像头接收发光光谱形成2D图像,从而对硅太阳电池少子寿命以及晶体缺陷进行分析判断。
  2.4 电磁学应用
   电磁学原理的应用在光伏硅产品检测过程中,扮演着重要的角色,因为光伏产品的性能指标和质量参数多以电磁学参数表现,例如:晶硅太阳电池的短路电流Isc、开路电压Voc、填充因子FF、转换效率η等。另外,在晶硅的电阻率检测、硅片的厚度测试中也都应用到了电磁学原理。如四探针法硅单晶电阻率的检测:应用四根等距的探针压在样品的平整平面上,给外面两根探针通以恒流电流,然后应用电位差计检测中间两根探针间的电压,根据公式:ρ=CV/I(ρ-样品电阻率,C-探针系数,V-中间两探针间的电压,I-流过外面两探针的电流),计算样品的电阻率;直流光电导衰退法检测少子寿命:待测样品在光脉冲照射下,产生非平衡少数载流子,引起样品的电导率及电压的变化,用示波器记录光照停止后,待测样品两端电压或电阻随时间的变化,得到非平衡载流子浓度随时间变化的衰减曲线,再由此衰减曲线得到单晶材料的少子寿命;静电电容法测量硅片的厚度:将待测硅片置于高频电场中,电容传感器的电容极板与硅片的表面构成一个电容器,这个电容器的电容与传感器中标准电容的偏差,与交流信号的频率及振幅成比例关系,通过一个标准线性电路求出电流的变化量,再通过电流的变化量求出硅片的电容量,进一步得到待测硅片的厚度。
  3 结语
   物理学原理在光伏硅产品检测中,发挥着极其重要的作用,其贯穿于整个光伏晶硅产业链。力、热、光以及电磁学的应用,是硅产品检测和光伏产品检测的重要方法和手段,只有充分掌握检测过程中所涉及的物理学知识,深入理解物理检测原理,并在实际检测过程中灵活运用,才能有望开拓创新。物理学作为基础科学,是掌握高等技能的理论基础,熟悉并掌握物理学原理的应用,才能满足社会发展以及科技进步的需要。
  参考文献:
  [1]张东,王晓忠.光伏材料检测技术[M].北京:化学工业出版社,2016.
  [2]段春艳,班群,林涛.光伏产品检测技术[M].北京:化学工业出版社,2016.
  [3]张程.浅析大学生物理思维的重要性及培养方法[J].当代教育实践与教学研究,2017(07):71.
  作者简介:马禄彬(1982-),男,山东菏泽人,硕士,讲师,研究方向:凝聚态物理、职业教育。
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