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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