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扫描电镜和离子溅射仪在光伏行业的应用

发表时间:2019-10-14 16:09

  在材料检验和分析工作中,显微分析是重要的手段之一,常见的显微分析仪器有光学显微镜、电子显微镜和离子溅射仪。光学显微镜利用的是光学信号,光源是可见光,由于受到光源波长的影响,其放大倍数受到限制,通常只能放大至1000倍左右。而扫描电子显微镜(SEM)利用的是静止或在样品表面进行光栅扫描的一束精细聚焦的电子束轰击样品表面,产生各种信号,如二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征射线及不同能量的光子等,利用电磁透镜系统成像,对固体材料进行分析。由于SEM具有高分辨、大景深等特性,其在生物、地质、固体物理、电子及材料科学等领域的研究和分析工作中具有重要作用。

随着太阳能光伏产业的发展,光伏原辅材料的检验和分析工作也逐渐深入。扫描电子显微分析作为重要的分析方法之一,在光伏原辅材料的常规检验、研究开发、失效分析等领域发挥着重要作用。

笔者以镀膜玻璃、硅片、焊带、背板等光伏原辅材料为例,采用SEM对各种材料进行分析,以展示SEM在镀膜玻璃膜层结构观察、膜厚测量、硅片表面形貌及间距分析、焊带表面微观分析、背板类型分辨、各层厚度测量等方面的重要应用。

试样制备与试验方法

1、试样制备

光伏原辅材料是组成光伏组件及系统的各种材料的统称,通常包括镀膜玻璃、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)胶膜、电池片(硅片、浆料)、焊带、背板、边框、支架等,结构如图1所示。

图1光伏组件及原辅材料结构图

该次试验分别选取镀膜玻璃、电池片、焊带、背板为试验样品。选取镀膜玻璃钢化片,用实验室榔头敲击玻璃边缘,取玻璃中间位置处的碎片2片,分别用于观察膜层表面及横截面形貌。镀膜玻璃试样经过超声清洗烘干后,固定于样品台上,由于试样导电性差,需用离子溅射仪进行喷金处理,喷金靶材为铂。取印刷烧结处理后的电池片,截取横截面试样固定于样品台上,用于观察硅片的横截面形貌。截取适量焊带试样固定于样品台上,用于观察其表面涂层的形貌。

选取两种不同的复合型背板,分别切取适量试样进行镶嵌、研磨、抛光,再将镶嵌后的样品用纯水和酒精依次清洗烘干。镶嵌时将试样垂直放置,使试样横截面位于镶嵌样的表面。将烘干后的试样固定在样品台上,用离子溅射仪进行喷金处理。

2、试验方法

试验仪器有:德国蔡司的Sigma型场发射扫描电子显微镜,配备样品室二次电子探测器(SE2)、镜筒内二次电子探测器(Inlens)、背散射电子探测器(EBSD)及能谱仪(EDS),其中SE2和Inlens均用于形貌观察,但Inlens信号更贴近表面,更适宜高倍近距离观察微观形貌;北京意力博通技术发展有限公司的ETD-2000型离子溅射仪,溅射靶材为铂。

测试条件为:镀膜玻璃试样测试时加速电压为5kV,工作距离为5mm左右,选用Inlens;其余试样测试时加速电压为20kV,工作距离为10mm左右,选用SE2。

试验结果与讨论

1、镀膜玻璃膜层微观分析

镀膜玻璃也称为减反射膜玻璃,即在玻璃的表面镀制一层或多层的减反射膜,用于减少光伏组件表面的光反射损失,增加光的透射,从而提高光伏组件的发电效率。然而,采用不同镀膜液及镀膜工艺制备的镀膜玻璃性能各不相同,膜层结构及厚度不同,从而光学性能及耐环境老化性能也各不相同。采用SEM对镀膜玻璃膜层表面及横截面微观形貌进行观察,结果如图2所示。

图2镀膜玻璃的微观形貌

从图2可以看出:膜层表面存在均匀分布的孔隙,其尺寸为50~300nm;横截面形貌可见其膜层内部也存在一定孔隙,整体呈现颗粒堆积状,膜层厚度均匀,测量其厚度约为140nm。

根据薄膜干涉原理,当光射到媒质的分界面上时,在一般情况下反射光和折射光同时存在。理论研究指出,在垂直入射的情况下,单层膜的反射率R1为

式中:n1为膜的折射率;n0,ns分别为膜两侧媒质的折射率;λ0为入射波波长;d为膜的厚度。

当膜的光学厚度为λ0/4的奇数倍、光垂直入射于膜上时,上表面和下表面反射光的强度相等,位相相反,产生相消干涉,使反射光消失,透射光增强。试验采用的镀膜玻璃膜层主要成分为SiO2,其折射率为1.63,玻璃的折射率为1.52,空气的折射率约为1,根据理论计算其单层膜厚度约为120nm。然而实际生产中,由于膜层结构的影响,膜层存在一定孔隙,其折射率发生变化,因此膜层厚度为100~150nm。大量试验数据表明,未镀膜太阳能超白压花玻璃原片的太阳光有效透射比一般为91.5%~92.0%,镀膜后太阳光有效透射比一般为93.5%~94.0%,镀膜后太阳光有效透射比增加约2%。

2 、硅片表面形貌观察

电池片在有光照的情况下发生光生伏特效应,是光伏组件发电的关键部位,而其中发电原料来自于硅片,硅片的性能及处理工艺直接影响电池片的性能。

分别截取金刚线切割未制绒单晶硅片及制绒后单晶硅片试样,按照ASTME424-71(Reapproved2001)测试其各自在太阳光波长范围内(380~1100nm)的反射率,结果如图3所示。

图3不同硅片试样的反射率

统计数据显示,未制绒硅片试样的反射率为37.06%,制绒后硅片试样的反射率为16.86%,可见制绒后硅片试样比未制绒硅片试样的反射率下降20.20%。

利用SEM对未制绒硅片试样及制绒后硅片试样的横截面微观形貌进行观察,结果如图4所示。

图4不同硅片的微观形貌

由图4可见:未制绒硅片试样表面整体平整,仅边缘处有数微米深的损伤层,损伤层一般由切割工艺导致;制绒后硅片试样表面形成了均匀分布的山峰状金字塔结构。硅片表面制绒是利用硅的各向异性腐蚀性,在表面形成四面方锥体金字塔结构。入射光在经过表面的金字塔结构时发生多次反射和折射,增加了光的吸收,减少了光的反射,从而可以提高电池的短路电流和转换效率。

3、焊带表面微观分析

光伏焊带又称涂锡铜带,用于电池片之间的连接将电流导出,主要包含汇流带和互联带。目前使用的焊带一般是在金属基材上连续均匀涂覆一层低熔点的金属或合金,基材主要为铜,涂层焊料通常为锡铅焊料或无铅焊料。由于锡铅焊料的焊接性能好且价格相对较低,所以目前多使用锡铅焊料作为涂层焊料。

分别取外观平整光亮的汇流带及目测有凸点不光洁平整的汇流带试样,使用SEM对其表面形貌进行观察,如图5所示。

图5焊带锡铅层表面形貌

从图5可以看出:外观不光洁平整试样表面的锡铅涂层存在较多凸起,且凸起位置均为浅色区域;外观平整试样表面均匀,浅色区域与深色区域呈弥散分布,有部分数微米级的浅色区域存在。使用EDS探头分别对深色区域和浅色区域进行成分分析发现:深色区域主要成分为锡元素,有少量铅元素,为富锡相;浅色区域主要成分为铅元素,有少量锡元素,为富铅相,即外观不光洁平整试样的表面凸起处为富铅相。

一般来说,锡铅共晶组织为具有一定取向的锡相和铅相的层片状组织。但由于热涂覆后锡铅合金凝固时其固液相界面不平衡,层片组织被破坏,从而形成波浪状、棒状或球状组织,形成富铅相和富锡相。严重偏析会使焊带产生外观不均匀,并影响其焊接性能。

4、背板截面微观分析及厚度测量

背板位于晶硅组件的背面(双玻组件除外),是重要的封装材料,具有良好的绝缘性和水气阻隔性,从而对电池片起到保护作用。目前市场上主要有复合、涂覆和共挤3种类型背板,复合型背板的应用市场较为广泛。复合型背板为多层复合结构,中间一般为聚酯薄膜(PET)层,外层为氟膜层(主要包括聚氟乙烯PVF、聚偏氟乙烯PVDF等),氟膜层和PET之间用胶水进行黏结。其中PET主要起到电气绝缘、水气阻隔、力学支撑等作用,氟膜层主要起到耐环境老化等作用。背板各复合层的厚度直接关系到其性能。

分别取双面复合及单面复合的背板横截面试样进行测试,采用SEM对背板横截面进行观察,如图6所示。

图6复合型背板的横截面形貌

由图6可见:双面复合试样为在中间层的两侧通过胶水各黏附了一层氟膜层;单面复合试样在中间层的一侧通过胶水黏附了一层氟膜层,另一侧为涂料层,且厚度较薄。根据背板横截面扫描电镜形貌可测量背板的各层厚度。

结论

使用扫描电子显微镜对光伏原辅材料的膜层进行结构观察和膜厚测量,可结合镀膜工艺进行研究,来提升镀膜玻璃的各项性能。使用扫描电子显微镜研究了硅片表面的金字塔结构形貌及间距、制绒工艺与电池片转换效率三者之间的关系,可通过优化工艺改善电池片的性能。使用扫描电子显微镜对焊带表面的锡铅偏析情况进行了观察,可对焊带的性能进行评估。使用扫描电子显微镜对背板进行了微观分析,可分辨背板类型,测量各层厚度,可为背板验货及鉴定等工作提供直接证据。

在光伏原辅材料的检验和研究工作中合理使用扫描电子显微镜,不仅能为既有的材料提供相关的测试方法和数据,还能为新材料开发提供新的检验方法。



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