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电性能vs失效分析[1]


电性能参数与产线异常关系
工艺 B班 陈世明

太阳能电池的工作原理
太阳能电池主要依靠P-N结光生伏打效应来工作, 当P型半导体和N型半导体紧密结合成一块时,两者 交接处就形成了P-N结, 设两块均匀掺杂质的P型硅 和N型硅其掺杂浓度为NA ND。 在室温下,硼,磷 原子全部电离,因而在P型硅中均匀分布着浓度为 Pp的空穴(多子)及浓度

为Np的电子(少子)。在 N型硅中类似的均匀分布着浓度为Nn的电子(多子) 及浓度为Pn的空穴(少子)。当P型硅和N型硅相 互接触时,交界面两侧的电子和空穴浓度不同,于 是界面附近电子将通过界面向下扩散运动,当它达 到平衡时,于是界两侧正,负电荷区形成一电偶层, 称为阻挡层。因为电偶层中的电子或空穴几乎流失 或复合殆尽,所以又称阻挡层为耗尽层,又因为阻 挡层中充满了固定电荷,故此又称空间电荷区,其 中存在由N区指向P区的电场,称为“内建电场”, 显然,在内建电场作用下,将产生空穴向右,而电 子向左的漂移,其方向正好与扩散方向相反

开路电压

I = 0 +

R = ?

_

V = VOC

短路电路

I = ISC

R = 0

ISC
(0.43 V, 142 mA) ? V ? I = 61 mW

PMAX

Some typical values

(0.5V, 0 mA) ? V ? I = 0 mW

VOC

实物图
Cell

RS
ISC

RSH

RLOAD

理想情况

RS = 0? ISC RSH = ? RLOAD

图中RS即为串联电阻:包括电池的体电阻、表面电阻、电极电阻、电极 与硅表接触电阻等 Rsh为旁漏电阻即为并联电阻,为硅片边缘不清洁及内部缺陷引起

等效电路图

图中RS即为串联电阻:包括电池的体电阻、表面电阻、电极电阻、 电极与硅表接触电阻等 Rsh为旁漏电阻即为并联电阻,为硅片边缘不清洁及内部缺陷引起

电参数介绍
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

Uoc:开路电压 Isc:短路电流 Rs:串联电阻 Rsh:并联电阻 FF:填充因子 Pmpp:最大功率 Umpp:最大功率点电压 Impp:最大功率点电流 Irev1:反向电流1(-10V) Irev2:反向电流2(-12V) Ncell:转换效率

Impp

Pmp p
Pmax

Rs = dU/(Isc1Isc2)
Rs 是該段 線斜率

△I

△V

主界面

主要参数
Uoc Isc Umpp Impp Pmpp FF E nCell Rs Rsh Iap Irev1 Irev2 PSL Open Circuit Voltage [V] Short Circuit Current [A] Voltage at Pmpp [V] Current at Pmpp [A] Maximum Power [W] Fill Factor [%] Irradiance in Pmpp [W/m? ] Cell Efficiency [0..1] Serial Resistance [Ohm] Shunt Resistance [Ohm] Current at Uap [A] Reverse Current at Urev1 [A] Reverse Current at Urev2 [A] Error Hardware Error [0;1] 开路电压 短路电流 工作电压 工作电流 最大功率 填充因子 辐射照度 转换效率 串联电阻 并联电阻 点电流 反向电流1 反向电流2

Usc
Temp

Voltage at Isc [V]
Temperature [°C] 温度

各个参数之间的关系
?

在所有参数中,只有电压和电流是测量值,其他参数均是计算值。 Pmpp为在I-V曲线上找一点,使改点的电压乘以电流所得最大,该点对应的电压就是最 大功率点电压Umpp,该点对应得电流就是最大功率点电流Impp Rs为在光强为1000W/M2和500W/M2下所得最大功率点的电压差与电流差的比值,只 是一个计算值,所以有时候会出现负值的情况 Rsh为暗电流曲线下接近电流为0时曲线的斜率 Irev1为电压为-10V时的反向电流 Irev2为电压为-12V时的反向电流 Rs和Rsh决定FF Rsh和Irev1、 Irev2有对应的关系 计算公式: Ncell= Pmpp/S(硅片面积) Pmpp= Umpp*Impp= Uoc*Isc*FF FF=(Umpp*Impp)/(Uoc*Isc)

? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ?

电流与辐照度的关系
?

在理想的条件下,入射到电池表面能量大于材料禁带宽度 的每一个光子产生一个电子流过外电路。在一般状况下, 辐射照度越大,电流越高。对于晶体硅太阳电池,辐射照 度从0上升到4000W/m2,短路电流一直成上升趋势,而 且几乎成线形上升。

电流、电压与温度的关系
?

太阳电池的短路电流并不强烈地依赖温度。随着温度上升, 短路电流略有增加。这是由于半导体禁带宽度通常随温度 的上升而减小使得光吸收随之增加的缘故。电池的其他参 数,开路电压和填充因子都随着温度上升而减小。温度每 升高1℃,晶体硅太阳电池的Voc将约下降0.4%。Voc的显 著变化导致输出功率和效率随温度升高而下降,每升高 1℃,晶体硅太阳电池的输出功率将减少0.4%—0.5%。注 意事项:及时检查温度及光强是否符合要求。

温度

测试外部参数影响
I/ A

光强

I/ A

光强降低

温度升高

U/V

U/V

正常测试温度为25±2℃,随着温度的升高,开路电压急剧降低,短路电流略微增大, 整体转换效率降低
正常光强为1000±50W/M2,随着光强的降低,开路电压略微降低,短路电流急剧下 降,整体转换效率降低

?

氙灯

?

氙灯罩

?

氙灯发生器

常见的低效电性能参数
1.Rsh=0 上下探针直接导通,产生情况:碎片、隐裂片

Uoc 0.3795885

Isc

Rs

Rsh

FF

NCell

Irev2

5.097425 0.0075809 0.000393

0 31.345207 0.0391724 12.281931 0 25.575467 0.0217095 12.281931 0 90.24563 0.0040835 12.281931 0 31.538554 0.0627649 12.281931

0.2369517 5.5465228 0.0017169 0.0123084 5.6918997 0.5601122 5.5011746 0.0099782

2.Rs=1000000 通常是探针没有压下,未测到片子,产生情况:校片,设备维修

Uoc 0.0150656

Isc 0

Rs 0

Rsh 1000000

FF 0

NCell 0

Irev2 0

丝网低效片产生……

涉及公司利益机密

已删除

3.二道铝粉污染

Uoc

Isc

Rs

Rsh

FF

NCell

Irev2

0.6270575
0.6278948 0.628503 0.6271887 0.6279191 0.6278184 0.6280451 0.6275362 0.6285142

5.6509798 0.0067278
5.6038486 0.0095929 5.6615675 0.0070195 5.5748617 0.0063347 5.5131727 0.0112334 5.5790764 0.0107177 5.5935575 0.0064498 5.6676347 0.0080427 5.6437008 0.0091597

8.2767954
8.9881763 11.85189 13.687591 8.6063976 11.108134 12.342127 12.548569 10.554495

76.658877
74.342368 76.394735 77.579945 72.825557 74.071608 77.357535 76.079772 74.743599

0.175444
0.1689486 0.1755708 0.175197 0.1628298 0.1675687 0.1755199 0.1747651 0.1712371

1.373799
1.5217339 0.9382173 0.9783956 1.6715945 1.1488794 1.0226494 0.8893893 1.2478269

刻蚀时放反
Uoc Isc Rs Rsh FF Irev2 NCell

0.6180001 2.7777532 0.2217889 34.166565 34.975282 0.8291292 0.0404095 0.6211219 3.1740155 0.6257725 0.111332 43.431873 39.835954 0.8831066 0.0528568

3.451195 0.1104398 65.844109 40.405044 0.2156446 0.0587302

PE时放反
Uoc Isc Rs Rsh FF NCell Irev2

0.0042319 1.4293474 0.0045513 0.6588125 1.2551878

3.12E-06 12.275726

0.0084475 1.5773007 0.0081247 1.4326175 0.9109182 4.987E-06 12.274223

0.0153496 2.0298398 0.0109233 1.2210956 0.7720504 9.885E-06 12.275726

0.0154133 2.2706323 0.0101854 1.0980207 0.8868621 1.275E-05 12.275726

黑芯片
NCell Uoc Isc Rs Rsh FF Irev2 0.1665998 0.6188464 5.1095577 0.0028035 212.84888 78.283199 0.0524876 0.1667489 0.6180908 5.1124622 0.0028509 125.68822 78.404479 0.0874989 0.1669817 0.6184828 5.1103787 0.0028921 135.17862 78.496176 0.0868432 0.1666407 0.6187854 5.1099495 0.0029233 112.58571 78.304148 0.0928269

0.1669533 0.6186372 5.1164951 0.0029321 60.898819 78.369436 0.2117919
0.1689036 0.6193697 5.1617348 0.0029391 107.29364 78.497119 0.1037194

0.1684808 0.6191804 5.1461534 0.0029691 189.63881 78.561709 0.0612759
0.1677464 0.619471 5.1340439 0.0030595 100.42178 78.366935 0.1193255 0.003076 68.522964 78.058491 0.1731142

0.1663682 0.6184135 5.1207251

转换效率的影响因素

串阻RS组成
测试中的串联电阻主要由以下几个方面组成: 1.材料体电阻(可以认为电阻率为ρ的均匀掺杂半导体) 2.正面电极金属栅线体电阻 3.正面扩散层电阻 4.背面电极金属层电阻 5.正背面金属半导体接触电阻 6.外部因素影响,如探针和片子的接触等 烧结的关键就是欧姆接触电阻,也就是金属浆料与半导体材料接触处的电阻。 可以这样考虑,上述1.2.3.4项电阻属于固定电阻,也就是基本电阻; 5则是变量电阻烧结效果的好坏直接影响Rs的最终值; 6属于外部测试因素,也会导致Rs变化

RS影响因素
RS偏大

检查测试机探针 是否正好压到 主栅线上

检查网印第三道 虚印情况

检查扩散方块电阻 是否存在偏大现象

核对原始硅片电阻率 是否偏大

印刷烧结问题




通知设备进行调整, 但同时需注意调整前后 栅线是否有变粗现象


及时通知扩散工艺进行 调整, 稳定方阻在正常范围内



看探针是否变脏 探针寿命是否到期

做好记录,对电阻率 偏大的单独追踪

烧结炉设备问题

工艺问题

擦拭探针

探针脏

烧结炉进出水 温度压力是否变化

浆料是否有异常 如新批次、型号混用、 沾染铝浆等

更换探针

探针寿命到期

烧结炉排风以及 冷却风扇是否有异常

烧结炉功率以及 温度波动是否有异常

烧结炉灯管是否 有问题

放片的均匀性 工艺过程中的污染 如网带、传送带、 工作台等

并阻RSH组成
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

测试中并联电阻Rsh主要主要是由暗电流曲线推算出,主要由边缘漏电和体内漏电决定 边缘漏电主要由以下几个方面决定: ①边缘刻蚀不彻底 ②硅片边缘污染 ③边缘过刻

体内漏电主要几个方面决定 ①方阻和烧结的不匹配导致的烧穿 ②由于铝粉的沾污导致的烧穿 严重 ③片源本身金属杂质含量过高导致的体内漏电 ④工艺过程中的其他污染,如工作台板污染、网带污染、炉管污染、DI水质不合格等

RSH影响因素
并联电阻 低

原材料因素

工艺因素

工艺过程 污染

硅片中金属杂质 含量过高 缺陷密度过大

刻蚀工艺

PE工艺

扩散烧结工艺

设备环境因素

人为因素

工艺时间过短气 体比例不合适边缘 PN结未完全去除 边缘刻蚀过宽

PE膜的致密性较 差导致烧结易烧穿

烧结温度太高 方阻太高 烧结和方阻不匹配

扩散炉炉管污染

网印机工作台磨损

操作过程中使用 工具的污染 操作中污染 擦拭片等

检查并测试刻蚀机 刻蚀效果

椭偏移到厂后定量 测试膜厚折射率

烧结炉工艺稳定性 外围设备稳定性监控 方阻均匀性 方阻范围控制

DI水污染

卫生环境污染

UOC影响因素
开路电压 低

材料本体

工艺因素

硅片电阻率高

硅片质量较差 少子寿命低

硅片厚度厚

制绒表面 损伤层未完全 去除,减薄量小

扩散PN结 质量较差 扩散炉管 洁净度差

PE钝化效果 较差 扩散钝化效果 较差

网印背电场 效果较差

Rsh小 暗电流大

ISC影响因素
Isc低

原材料因素

工艺因素

原材料杂质含量高 少子寿命低

电阻率低

制绒绒面不好,未完 全出绒,影响光的 吸收

PN结太深 方阻太低

PE减反射膜效果 钝化效果不好

并联电阻小漏电大

印刷栅线高宽比小

丝网印刷工艺过程常见问题处理
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

一、翘曲: 1.硅片太薄 2.印刷铝浆太厚 3.烧结温度过高 4.烧结炉冷却区冷却效果不好 二、铝包: 1.烧结温度太高 2.印刷铝浆太薄 3.使用前浆料搅拌不充分 4.铝浆印刷后烘干时间不够 5.烧结排风太小 6.烧结炉冷却区冷却效果不好

——控制原始硅片厚度 ——控制铝浆重量 ——调整烧结炉4、5、6、7区温度 ——查看风扇状况、进出水温度压力等

——调整烧结炉4、5、6、7区温度 ——印刷铝浆重量加重 ——搅拌时间必须达到规定时间 ——增加烘干时间或提高烘干温度 ——增大烧结炉排风 ——查看风扇状况、进出水温度压力等

?
? ? ? ? ?

三、虚印: 1.印刷压力太小 2.印刷板间距太大 3.印刷刮刀条不平 4.工作台板不平,磨损严重 5.网印机导轨不平

——增大印刷压力 ——减小板间距 ——更换刮刀条 ——更换工作台板 ——重新调整导轨

? ? ? ? ?

四、粗线: 1.网版使用次数太多,张力不够 2.网版参数不合格 3.浆料太稀,浆料搅拌时间太长 4.网印机参数不合适

——更换网版 ——核对该批网版参数,更换网版 ——严格执行浆料搅拌时间规定 ——调整网印机参数


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