物理學原理在光伏硅產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)檢測對象、檢測性能參數(shù)以及檢測方法的不同，對光伏硅產(chǎn)品的檢測項目進行了分類和介紹。從力學、熱學、光學以及電磁學等幾個方面，對物理學原理的應(yīng)用進行了舉例說明。明確了物理學在光伏硅產(chǎn)品檢測中的作用，必備物理學知識的掌握，有助于加深檢測原理的理解、提升檢測技能水平，也有望為光伏檢測相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)提供思路和幫助。

關(guān)鍵詞：物理學;光伏;硅產(chǎn)品;檢測;應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.049

物理學是研究物質(zhì)運動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學科，其在電子信息、機械加工、工程技術(shù)以及分析測量等各領(lǐng)域和各學科中，都有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。光伏硅產(chǎn)品檢測指單（多）晶硅原輔料、硅片、太陽電池片、光伏組件以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測與分析，是保障光伏產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段、是相關(guān)應(yīng)用技術(shù)人員所要掌握的重要技能，它要求檢測人員熟悉檢測原理，并能將物理、化學等知識靈活應(yīng)用于檢測實踐。而物理學原理的應(yīng)用貫穿于整個光伏硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，起著至關(guān)重要的作用。所以，熟悉所需物理知識并掌握物理學原理在其中的應(yīng)用，一方面，可加強檢測原理的深入理解，為學生檢測技能水平的提高創(chuàng)造條件;另一方面，可幫助教師根據(jù)專業(yè)需求設(shè)計教學重點，從而提高人才培養(yǎng)的實用性和有效性。

1 光伏硅產(chǎn)品檢測類型及項目

根據(jù)檢測對象的不同，光伏硅產(chǎn)品的檢測可以劃分為：晶硅原輔料檢測、硅錠（棒）的檢測、硅片的檢測、晶硅電池片的檢測、光伏組件的檢測以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測[1]。也可根據(jù)檢測的性能參數(shù)分為：光伏硅產(chǎn)品的外觀檢測、機械強度檢測、電學參數(shù)檢測以及光學性能檢測[2]。另外，根據(jù)檢測的方式方法的不同，又可分為生產(chǎn)線上的自動分選檢測與人工檢測。晶硅原輔料雜質(zhì)的檢測項目主要包括：三氯氫硅中痕量雜質(zhì)檢測、工業(yè)硅中鐵、鋁的檢測以及三氯氫硅（四氯化硅）中硼的檢測。晶硅原輔料水分的檢測項目主要包括：氯化氫中水分的檢測和液氯中水分的檢測。硅錠（棒）雜質(zhì)的檢測項目主要有：多晶硅中基硼、基磷的檢測以及晶體硅中基碳、氧的檢測。硅錠（棒）電學性能檢測項目主要有：導電類型的檢測、少子壽命的檢測以及電阻率的檢測。硅錠（棒）晶體類型檢測項目主要包括：單晶硅定向的檢測和單晶硅中缺陷的檢測。硅片外觀檢測項目主要有：硅片直徑的檢測、硅片彎曲度與翹曲度的檢測及硅片厚度與總厚度的檢測。硅片表面質(zhì)量檢測項目主要有：硅片平整度的檢測和硅拋光片表面質(zhì)量的檢測。晶硅電池片外觀檢測項目主要有：尺寸檢測、缺陷檢測以及彎曲度檢測。晶硅電池片電學參數(shù)的檢測項目主要有：電池片I-V特性檢測、電池漏電缺陷檢測、接觸電阻、開路電壓與短路電流分布的檢測。晶硅電池片光學檢測項目主要有：太陽電池光致（電致）發(fā)光檢測、電池片厚度及折射率檢測、電池片表面反射率的檢測。光伏組件材料檢測項目主要包括：面板玻璃的檢測、背板的檢測、EVA膠膜的檢測以及涂錫焊帶的檢測。光伏組件電學性能的檢測項目主要有：光伏組件I-V檢測、PID檢測以及絕緣性檢測。光伏組件機械強度檢測項目主要有：引出端強度檢測、冰雹撞擊檢測以及機械載荷檢測。光伏組件抗老化檢測項目主要有：室外曝露檢測、紫外線檢測、熱斑耐久檢測以及熱循環(huán)檢測。光伏發(fā)電系統(tǒng)安全檢測項目有：外觀的檢測、防雷與接地的檢測。光伏發(fā)電系統(tǒng)電學性能檢測項目主要包括：逆變器的檢測、電能質(zhì)量的檢測以及蓄電池與充放電的檢測。

2 光伏硅產(chǎn)品檢測中的物理學原理

光伏硅產(chǎn)品檢測中的物理學知識主要包括：力學、熱學、光學以及電磁學。物理實驗方法中蘊含的思想可以提升思維能力，給思考過程帶來靈感和創(chuàng)意[3]，還能促進工藝改善、推動技術(shù)革新，進而為培養(yǎng)創(chuàng)新型高端技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)檢測崗位的職業(yè)規(guī)范以及光伏產(chǎn)品的檢測標準，現(xiàn)就一些主要檢測項目的物理學應(yīng)用進行簡單介紹：

2.1 力學應(yīng)用

力學原理在光伏硅產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用，主要指通過物質(zhì)之間的相互作用，測量受力下的形變，或是根據(jù)受力物體的運動規(guī)律判斷其性能及質(zhì)量。在晶硅電池及光伏組件的原材料檢測中較為常見，如硅太陽電池漿料附著力檢測：主要針對燒結(jié)后形成的鋁硅合金，應(yīng)用拉力計，采用拉開法檢測鋁漿與電池硅基體之間的附著力;鋼化玻璃的鋼化強度檢測：采用鋼球在距離玻璃1～1.2m處自由下落，撞擊后檢查玻璃是否破碎;光伏組件的背板層粘接強度檢測：要求劃開夾層，一邊夾緊，另一邊用拉力計測試粘接拉力，一般要求拉力大于20N為合格;光伏組件機械強度以及最大承壓檢測：根據(jù)IEC61215-2005測試標準，采用直徑25mm±5%、質(zhì)量為7.53g±5%的冰球以23m/s的速度撞擊，測試是否產(chǎn)生嚴重缺陷，并檢測最大輸出功率的衰減情況;接線盒連接器抗拉力檢測：接線盒與連接器連接，固定接線盒，用拉力器測量能承受的拉力，一般大于10N為合格;組件機械載荷及冰雹撞擊檢測：主要通過模擬自然環(huán)境中積雪的承受、冰雹載荷情況，采用一定動量的冰雹從不同角度撞擊組件，檢測其外觀缺陷及電性能的衰減情況。

2.2 熱學應(yīng)用

熱學原理在光伏硅產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用，主要是利用溫度或能量的差異，檢測與熱力學性質(zhì)相關(guān)的性能參數(shù)并對其分析和判斷。如冷熱探筆法測單晶硅的導電類型：在待測樣品上壓上兩根金屬探筆，一根通過電阻絲加熱（40～60℃）作為熱探筆，在兩接觸點上產(chǎn)生溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，就會在檢流計回路中形成一定方向的溫差電流，以此判斷晶硅的導電類型;晶硅電池漏電檢測：根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：P=εσT4（P-單位面積輻射功率，σ-物體表面的發(fā)射率，ε-斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)），如果硅太陽電池以某種形式注入能量，電池內(nèi)部就會形成溫度場分布，缺陷部位的溫度與周圍形成差異，漏電區(qū)域產(chǎn)生的熱量會向周圍擴散，形成溫度梯度分布，由紅外熱像儀接收紅外輻射，形成熱像圖;組件熱循環(huán)檢測：在自動控溫的氣候室內(nèi)，組件在40～80℃之間進行循環(huán)測試，并在極端溫度下保持一定時間，檢測組件短路、電性能衰減、絕緣電阻等情況，以此判斷組件由于外部溫度變化引起的熱應(yīng)變能力。

2.3 光學應(yīng)用

光學原理的應(yīng)用，在光伏硅產(chǎn)品的檢測中十分重要，特別在單晶硅料、硅片的檢測中較為常見，主要通過光波與物質(zhì)間的作用，產(chǎn)生激發(fā)、發(fā)射現(xiàn)象，根據(jù)光波的反射和衍射，利用接收到的紅外光譜、可見光光譜或X射線衍射光譜，對檢測對象進行分析和判斷。如單晶硅定向檢測：主要包括光圖定向檢測和X射線定向兩種方法，都應(yīng)用到了光學原理，在光圖定向檢測過程中，當平行光入射到硅單晶腐蝕坑時，會被密排平面反射到不同的方向，反射光會在光屏上顯示晶體的光象，根據(jù)光象的對稱性以及光圖中心的偏離角，確定晶體的生長方向;單色X射線定向檢測：是利用單色X射線照射到待測晶體上，使其在某晶面產(chǎn)生衍射，改變晶體位置，使該晶面放置位置相對入射的X射線滿足布拉格方程：nλ=2dsinθ（λ-X射線波長，d-晶面間距，n-衍射線級數(shù)，θ-入射光和反射平面的夾角），不同結(jié)構(gòu)的晶體和不同晶面其衍射線方位不同，根據(jù)衍射線的方位來確定晶體的取向;晶體硅中碳氧雜質(zhì)的紅外光譜檢測：分子中原子鍵的振動頻率與紅外光某一頻率相同時，分子就會吸收此頻率的光發(fā)生振動能級躍遷，產(chǎn)生紅外吸收光譜，氧在硅中主要有三個紅外吸收峰：硅氧鍵的對稱伸張振動（1205cm-1）、硅氧鍵的扭曲振動（515cm-1）和硅氧鍵的反對稱伸張振動（1105cm-1），碳主要有兩個紅外吸收峰：607.2cm-1和1217cm-1，利用紅外吸收光譜對晶體硅中的碳氧雜質(zhì)進行定性及定量分析;光學投影法對硅片直徑的檢測：利用光學投影儀放大待測試樣圖像，通過調(diào)節(jié)使硅片邊緣輪廓清晰地顯示在顯示屏上，利用螺旋測微計讀數(shù)測量;掠入射干涉法對硅片平整度的測量：硅片待測表面盡可能平行地靠近干涉儀基準平面（25～50μm），單色光源平面波受待測平面和基準平面的反射，形成干涉條紋，分析干涉條紋可度量待測平面的平整度（TIR），TIR=dM（TIR-硅片平整度，d-干涉儀靈敏度，M-測量時干涉條紋總數(shù)目）;金相顯微鏡法觀測位錯密度：利用金相顯微鏡對位錯腐蝕坑進行放大觀察，近似計算硅晶體中的位錯密度大小，顯微鏡的放大倍數(shù)M=M物×M目，M物=△/f（△-光學鏡筒長度，f-物鏡焦距）;硅太陽電池光致發(fā)光（PL）檢測，使用激光或LED光源照射硅片表面，在內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子，一部分激發(fā)的電子與空穴復(fù)合，多余能量以光子釋放，通過CCD攝像頭接收發(fā)光光譜形成2D圖像，從而對硅太陽電池少子壽命以及晶體缺陷進行分析判斷。

2.4 電磁學應(yīng)用

電磁學原理的應(yīng)用在光伏硅產(chǎn)品檢測過程中，扮演著重要的角色，因為光伏產(chǎn)品的性能指標和質(zhì)量參數(shù)多以電磁學參數(shù)表現(xiàn)，例如：晶硅太陽電池的短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η等。另外，在晶硅的電阻率檢測、硅片的厚度測試中也都應(yīng)用到了電磁學原理。如四探針法硅單晶電阻率的檢測：應(yīng)用四根等距的探針壓在樣品的平整平面上，給外面兩根探針通以恒流電流，然后應(yīng)用電位差計檢測中間兩根探針間的電壓，根據(jù)公式：ρ=CV/I（ρ-樣品電阻率，C-探針系數(shù)，V-中間兩探針間的電壓，I-流過外面兩探針的電流），計算樣品的電阻率;直流光電導衰退法檢測少子壽命：待測樣品在光脈沖照射下，產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子，引起樣品的電導率及電壓的變化，用示波器記錄光照停止后，待測樣品兩端電壓或電阻隨時間的變化，得到非平衡載流子濃度隨時間變化的衰減曲線，再由此衰減曲線得到單晶材料的少子壽命;靜電電容法測量硅片的厚度：將待測硅片置于高頻電場中，電容傳感器的電容極板與硅片的表面構(gòu)成一個電容器，這個電容器的電容與傳感器中標準電容的偏差，與交流信號的頻率及振幅成比例關(guān)系，通過一個標準線性電路求出電流的變化量，再通過電流的變化量求出硅片的電容量，進一步得到待測硅片的厚度。

3 結(jié)語

物理學原理在光伏硅產(chǎn)品檢測中，發(fā)揮著極其重要的作用，其貫穿于整個光伏晶硅產(chǎn)業(yè)鏈。力、熱、光以及電磁學的應(yīng)用，是硅產(chǎn)品檢測和光伏產(chǎn)品檢測的重要方法和手段，只有充分掌握檢測過程中所涉及的物理學知識，深入理解物理檢測原理，并在實際檢測過程中靈活運用，才能有望開拓創(chuàng)新。物理學作為基礎(chǔ)科學，是掌握高等技能的理論基礎(chǔ)，熟悉并掌握物理學原理的應(yīng)用，才能滿足社會發(fā)展以及科技進步的需要。

參考文獻：

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[2]段春艷，班群，林濤.光伏產(chǎn)品檢測技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[3]張程.淺析大學生物理思維的重要性及培養(yǎng)方法[J].當代教育實踐與教學研究，2017（07）：71.

作者簡介：馬祿彬（1982-），男，山東菏澤人，碩士，講師，研究方向：凝聚態(tài)物理、職業(yè)教育。