太阳电池的缺陷检测手段从原理上分主要有超声波共振扫描、接触电阻扫描、光致发光检测和电致发光检测四种。超声波检测法具有无损、快速的特点，但灵敏度不高，适用于硅片和电池片［47］；接触电阻扫描法灵敏度高，但耗时长、有破坏性，仅适用于电池片［48］；光致发光法［49］和电致发光法［50］，均具有快速、可在线检测、灵敏度高的优点，但都需滤除可见光，其中前者适用于硅片和电池片，后者适用于电池片和组件。考虑到生产线的快速高效要求，电致发光检测法较为适用，可检测出硅组件虚焊、断栅、隐裂和碎片四种主要的工艺缺陷。
14．5．2．1 超声波共振扫描法
超声波共振（RUV）技术显示了很高的潜力而被作为生产工具用于检测太阳电池流水线上生产整个电池片有无破坏性的裂痕。
测试原理为通过外部的压电传感器，从水中发生不同频率的超声波，将频率和振幅都可调的超声振动波施加给太阳电池，对经过电池的超声波进行特定的频率扫描，最后通过数据分析得出电池的缺陷信息。
图14．13（a）为文献［51］中提到的利用超声波共振实验装置图。如图14．13（b）中所示，在硅片（Si wafer）的下面设置有压电传感器（Transducer），压电传感器与真空部件相连，在高频电压的作用下，压电传感器把超声波振动引进对称几何形状的切过或正处理的硅片中。传感器产生振动频率在20～100kHz范围内变化的超声波。由于纵向的驻波由峰位置的共振频率决定，共振频率主要由硅片的几何尺寸，材料的弹性属性决定。硅片的不同物理性质会产生不同的共振波形，包括峰的位置，峰的宽度和峰的振幅。附着在硅片边缘传感控制器的宽带超声探测器用来测量振动。步进电机用来同步移动并精确定位硅片和探测器，整个系统由计算机控制，可编程的部件由Windows软件控制［51］。
图14．13 超声波共振系统示意图（a）和在RUV装置中，传感器，硅片和探测器的互相布局（b）［51］
图14．14 超声波共振检测结果图
图14．14为用超声波共振方法测量硅片得到的结果。
用这种手段可以快速地在线检测出硅片或者电池片的裂纹，每片仅需要2秒钟，由于其主要判断依据为统计数据，对裂纹长度灵敏度存在一定的局限性，另外，此方法不能检测出由于电阻不均匀导致的缺陷，也不适用于组件隐裂检测。
图14．15 接触电阻扫描检测结果图
14．5．2．2 接触电阻扫描法
这种方法主要从接触电阻的角度来对电池表面状况进行分析的，电池在光照下，在栅线与硅表面形成不同电势，用金属触点在电池表面逐行接触式地扫描，采集电势分布数据，通过分析数据得出电池表面状况图，从而获得电池缺陷的信息，这种方法，可以直观地显现电池表面接触电阻的分布情况，对分析烧结以及等离子刻蚀等工艺有一定的指导意义。其缺点是：属于接触式检测，需要破坏减反射膜，对样品破坏性较强；属于扫描式检测，耗时较长，每片需要6分钟左右。接触电阻扫描方法也不适合于组件的快速检测。
14．5．2．3 光致发光检测法
光致发光是物体受外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发而产生发光的现象。用紫外光、可见光或红外光激发发光材料可以产生光致发光的现象。光致发光包括吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。
太阳电池光致发光检测方法即是利用太阳电池的光致发光原理，利用外部光源激发太阳电池，通过滤光以及特殊感光元件采集特定波长的发光信号，最后经过数据处理得出太阳电池的表面缺陷。
检测过程大致包括激光被样品吸收、能量传递、光发射及CCD成像四个阶段。通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，Si片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出以1 150nm的红外光为波峰的荧光。利用冷却的照相机镜头进行感光，将图像通过计算机显示出来。发光的强度与本位置处非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断Si片或电池片是否存在缺陷。
14．5．2．4 电致发光检测法
在太阳电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在正向偏压下，p－n结势垒区和扩散区注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理［52］。
考虑外加正向偏压为Va的理想p－n结，p－n结厚度为d，如图14．16所示。
图14．16 正向偏压下的理想p－n结结构示意图
发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。在太阳电池两端加入正向偏压， 其发出的光子可以被灵敏的CCD相机获得，即得到太阳电池的辐射复合分布图像。
由p－n结注入发光的基本原理可知，可把辐射复合光子生成率作为电致发光强度的度量，电致发光强度为［53］：
式中：R（E，x）为电致发光强度；α（E）为吸收系数；E为入射光子的能量，与光波长有关；Va为外加正向偏置电压；Ln为扩散长度；x为位置变量；d为电池片的厚度。
上式忽略了对辐射复合生成光子的重吸收，由此可知：电致发光强度与光子的能量（波长）、外加正向偏压和少子的扩散长度有关。晶体硅太阳电池电致发光强度随正向偏压的增加而指数增强。晶体硅太阳电池的电致发光强度随少子扩散长度的增加而增强。
电致发光强度与波长之间的关系：
为常数处理，令其等于C1（常数）。则式（14－25）可以改写为：
图14．17为用MATLAB模拟出的电致发光强度与波长之间的曲线关系，图14．18为文献［54］中实验所测的晶体硅太阳电池电致发光光谱图。在波长小于1 050nm范围内，由图14．17，图14．18可知，理论计算的电致发光的光谱图与实验所测得电致发光光谱图基本一致。
图14．17 晶体硅太阳电池电致发光强度与波长之间的关系
图14．18 晶体硅太阳电池电致发光光谱图［54］
电致发光强度与外加正向偏压之间的关系：
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数为C2，则式（14－25）可改写为
在室温下
＝38，由式（14－26）可得
对式（14－27）取对数得
由式（14－28）可知电致发光强度的对数坐标与正向偏压成线性关系。图14．19为文献［51］实验所测电致发光强度的对数坐标与正向偏压之间的关系，图14．19的实验结果验证了理论的正确性。
图14．19 电致发光强度的对数坐标与正向偏压之间的关系［51］
电致发光强度与少子扩散长度之间的关系
由式（14－25）可知，在某一正向偏压下，考虑某一特定波长的光子，那
上式对x求定积分，积分下限为0，积分上限为电池的厚度d，令积分结果为R，则：
则式（14－30）为电致发光强度与少子扩散长度之间的关系。假设电池厚度d＝300μm，用MATLAB进行数值模拟，结果如图14．20所示。
图14．20 硅太阳电池电致发光强度与少子扩散长度的关系
图14．21 硅太阳电池电致发光强度与少子扩散长度之间的关系［54］
图14．21为文献［54］中实验所测电致发光强度与少子扩散长度之间的关系，对比图14．19，图14．20可知，理论计算的电致发光强度与少子扩散长度之间的关系与实验所测吻合。证明电致发光强度随少子扩散长度的增加而增强，但增强速率减小。
图14．22 单片太阳电池电致发光检测的设备图［50］
运用电致发光原理检测单片太阳电池的典型装置如图14．22所示，给电池加正向电压后几秒内就能运用红外成像系统获得电池片电致发光图。亮度越均匀表明电池片质量越好，反之暗斑越多，则表示电池片性能越差。
在利用电致发光检测太阳电池的缺陷上，Fuyuki与Kitiyanan的研究认为由于太阳电池片内在的缺陷是对温度比较敏感足，不同温度的太阳电池可以提供不同的发光强度图片的对比。
由于位错，晶界等（内在缺陷）比裂缝、金属栅线被折断或在使用中所引起的缺陷（外在缺陷）对于温度更加敏感，在测量温度变化的不同的电致发光的图像可以提供在不同温度发光强度的对比，这是一种检测太阳电池片的内在缺陷的一个好方法。
该研究中不同温度下的不同的太阳电池片的红外成像图片，如图14．23所示。
图14．23 不同温度下太阳电池EL图像
该研究采用了一种创新的图片的处理方法，用不同温度的同一个太阳电池片的不同的红外图片进行减法的运算，以突出图片上的太阳电池片的缺陷的信息，该研究以同一电池片在25℃与100℃的照片进行了减法运算，实例如图14．24所示。
图14．24 减法运算前后的图像
该研究根据图像上的对比度突出的部位来检测太阳电池片缺陷，标记经减法运算后图片中的缺陷部位（见图14．25）。
除了单片电池的EL缺陷检测仪器，组件的EL缺陷检测仪器也广泛应用在工业现场，图14．26是典型的自动化流水线上EL缺陷检测仪器。
光致发光是物体受外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发而产生发光的现象。用紫外光、可见光或红外光激发发光材料可以产生光致发光的现象。光致发光包括吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。
图14．25 经减法运算后的太阳电池电致发光图像
图14．26 典型的自动化组件EL缺陷检测设备
太阳电池光致发光检测方法即是利用太阳电池的光致发光原理，利用外部光源激发太阳电池，通过滤光以及特殊感光元件采集特定波长的发光信号，最后经过数据处理得出太阳电池的表面缺陷。
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