實驗結果

太陽能電池經過多道製程後，已具有初始的彎曲變形。圖 5.1 所 示為 ESPI 檢測系統擷取無裂縫太陽能電池的光斑干涉圖形，其干涉 條紋分佈將被視為與後續有裂縫試片之比較標準。ESPI 影像的干涉 條紋分佈與圖 3.8(a)所示中以有限元素法模擬的結果非常相似，顯示 實驗的條件與模擬接近。在試片邊緣有較密集的干涉條紋，代表試片 邊緣有較大的面外位移梯度，預期本研究方法在邊緣裂縫的檢測結果 比內部裂縫好。本實驗拍攝的太陽能電池光斑干涉圖形，是擷取試片 溫度 32℃及 32.4℃作為變形前後的兩張照片，經由影像處理方式而 獲得，此試片溫度僅代表本研究方法在實驗環境中可拍出重現性較高 的較 ESPI 影像。然而，實際上應用此檢測法並不侷限在此溫度，僅 需要將待測試片預熱一小段時間，使試片的溫度均勻分佈，即可獲得 高辨識度的干涉條紋。在接近室溫(25℃)條件下所拍攝的光斑影像，

受到太陽能電池的初始彎曲變形影響，光斑干涉條紋的辨識度並不明 顯，如圖 5.2(a)所示。但經過一小段升溫的過程到達 32℃後，試片的 變形的分佈趨於平坦，在此溫度下所拍攝的光斑影像，重現性非常

好，圖 5.1 所示的 ESPI 影像的拍攝條件即是如此。倘若升溫過高，

熱膨脹係數會隨著溫度上升而有所改變，高溫造成太陽能電池翹曲的 情形越來越明顯，材料本質上的缺陷及翹曲將逐漸影響由溫度差所產 生的變形，導致在相同的溫度間隔下所呈現干涉情形較不穩定，ESPI 影像中的重現性亦不佳，如圖 5.2(b)所示。相較於圖 5.1 所示，圖 5.2(b) 右側之光斑干涉條紋有類似鋸齒狀的情形發生。此情形除上述因素之 外，亦有可能是附著試片與加熱板上的膠帶，受高溫影響其附著力，

導致變形分佈有些改變。

5.1.1 貫穿裂縫

圖 5.3(a)顯示有裂縫缺陷的多晶矽太陽能電池 EL 影像，圖中被 標註的區域中有一長度為 38 mm 的黑線，此缺陷已損害電池中的 P-N 接點功能，並阻礙發出近紅外光，所以在 EL 影像中呈現黑色線條。

以實驗量測系統加熱此試片後，所拍出的光斑干涉圖形如圖 5.3(b)所 示，在相對於前述 EL 影像中的黑線位置，光斑干涉條紋發生斷裂情 形，且兩側的條紋數目不相等，此特徵與貫穿裂縫的數值模擬結果相 符。另外，圖 5.3(b)顯示缺陷處的干涉條紋數目亦多於圖 5.1 之無裂 縫試片。圖 5.3(c)所示為以有限元素法數值模擬相同位置處之貫穿裂 縫的面外位移等高線。面外位移等高線的間隔設為 266 nm，與干涉 條紋相同，相似於圖 5.3(b)所示的光斑干涉圖形。綜合上述的結果，

本研究將能夠判斷圖 5.3 中的缺陷及其特徵屬於貫穿裂縫。

圖 5.4 比較有、無裂縫之太陽能電池於裂縫位置各點的熱變形位 移變化，其中，縱座標為位移變化，橫座標代表裂縫尖端(座標原點) 至裂縫初始的距離。圖 5.4(a)所示為擷取圖 5.3(c)中，裂縫面兩側節

點的位移變化，圖中可清楚看出裂縫面兩側除裂縫尖端外，每一位置 皆有兩個面外位移值，越接近裂縫初始位置越明顯，意謂裂縫面兩側 的變形不連續。圖 5.4(b)所示為擷取圖 5.3(b)之 ESPI 影像結果，裂縫 面上每 5 mm 長度取一點，根據光斑干涉條紋的數量變化，每增加一 條亮紋即換算為 266 nm 的位移增量，繪成位移變化量測曲線。圖中 的裂縫尖端熱變形設為零，裂縫面兩側熱變形的面外位移不連續。與 圖 5.4(a)中模擬分析結果有些微差異，圖 5.4(b)中的裂縫面兩側在距 離裂縫尖端約 15 mm 後，出現兩條面外位移值曲線交會後分開，熱 變形面外位移的差值比數值模擬結果小。此及數值模擬中，除設定邊 界條件的區域外，其他位置會發生正向或負向的面外位移。然而，實 驗中太陽能電池是貼附在加熱板上加熱，只有單方向的面外位移，位 移量相對於數值模擬的結果會小一些。

5.1.2 表面裂縫

圖 5.5(a)為多晶矽太陽電池的 EL 影像，圖中圓形標註的區域內 有一與圖 5.3(a)相似的黑線但長度為 22 mm，同樣都是實驗中的人工 為裂縫。此試片置於本研究的 ESPI 檢測系統中，於昇溫間隔 0.4℃所 拍攝的光斑干涉圖形如圖 5.5(b)所示，圖中顯示電子光斑干涉條紋的 斜率不連續處連線恰巧落在 EL 影像的黑線位置，如同圖 3.8 (b)所示 出現的 V 形輪廓，且條紋數目比圖 5.1 所示的相同區域內多。藉由上 述的特徵可推測此缺陷為表面裂縫。圖 5.5(c)所示為以有限元素法模 擬此一長 22 mm 的表面裂縫試片的面外位移等高線分佈圖，與圖 5.5(b)比較，等高線與光斑干涉條紋在裂縫處都會產生斜率不連續及 數目增加的情形。圖 5.6(b)顯示在長度 22 mm 的裂縫面區域內，有裂

縫的影像比無裂縫的多出 2 條干涉條紋，即面外位移相差 532 nm。

於相同條件下的模擬結果亦顯示位移變化的差異比實驗更明顯，如圖 5.6(a)所示。

本研究方法也可以應用於檢測單晶矽太陽能電池。單晶矽電池的 晶格排列為[111]或[100]，裂縫在 EL 影像中呈現 45°走勢，所以表面 裂縫於多晶矽試片中所出現 V 形輪廓特徵，在單晶矽太陽能電池中 會沿著裂縫成長方向延伸。本實驗以金字塔狀壓頭製造人工裂縫的方 式，在單晶矽試片上經常會留下兩道裂縫，兩裂縫延伸的長度並不一 定相等，在 EL 影像中會呈現兩互相垂直的線段。圖 5.7(a)所示為單 晶矽太陽能電池邊緣存在一長 18 mm 之裂縫的 EL 影像，圖 5.7(b)顯 示此單晶矽太陽能電池在 ESPI 量測系統下所拍出的影像，標註區域 內的干涉條紋出現 V 輪廓，並且與裂縫呈 45°夾角排列。圖 5.7(c)所 示則為有限元素法於相同條件下模擬的結果。

5.1.3 內部裂縫

除了以上討論發生於太陽能電池邊緣的裂縫之外，實驗中另一檢 測項目是為發生於試片中央的裂縫。以前述人工裂縫的製造方式，在 太陽能電池的中央製作裂縫，必然會造成內部裂縫呈十字狀延伸，圖 5.8(a)及圖 5.9(a)分別為多晶矽及單晶矽太陽能電池之 EL 影像，於試 片中央分別有一直徑 33 及 30 mm 的十字型裂縫位於中央，其中多晶 矽試片除主裂縫以外還有一些分支，單晶矽試片中的裂縫會如上述以

<111>方向呈現。圖 5.8(b)與 5.9(b)所示為 ESPI 量測系統分別拍下的 光斑條紋影像，圖中可觀察到不論是多晶或單晶試片，其干涉條紋在 裂縫處的特徵皆呈現多邊型輪廓，對角線即為十字裂縫的位置。此類

型的裂縫發生於試片中央，遭受邊界的束縛比邊緣裂縫大，施予熱負 載後，裂縫周圍產生的熱變形將會小於邊緣裂縫，尤其是位置越接近 試片中央的裂縫，位移變化量越小，甚至在其他方向的位移變化也不 易觀察。單晶矽試片在受熱之後整體變形量雖比多晶矽小，但由於裂 縫走勢為 45°方向，在裂縫周圍的熱變形造成位移不連續的情形相對 比較明顯。在試片中央裂縫的模擬中，裂縫的深度與表面裂縫一樣。

都假設延伸至矽鋁界面，故產生如 ESPI 影像中的多邊型輪廓，負載 及邊界條件則與邊緣裂縫皆相同。圖 5.8(c)及 5.9(c)所示分別為多晶 矽及單晶矽太陽能電池中央裂縫受到熱變形的模擬結果。