第五章 結果與討論
5.2 檢測能力評估
綜合上述的實驗及模擬分析結果，本研究方法可充分辨識太陽能 電池中的裂縫。當有裂縫的太陽能電池經過加熱後，裂縫會造成 ESPI 影像中的干涉條紋產生可作為檢測依據的特殊輪廓，因為是裂縫會造 成附近區域的熱變形面外位移不連續，且位移量大於無裂縫的試片。
貫穿型裂縫的光斑條紋會產生斷裂情形，且裂縫面兩側的條紋數不 同，而表面裂縫在裂縫面區域產生 V 形輪廓。試片中央的十字裂縫 則會產生多邊型的光斑干涉條紋，且對角線對應十字裂縫的位置。實 驗結果與第三章模擬結果有些微差異的原因，推究可能是矽晶片在完 成後續的電池製程後，表面平整度會變得不好，每批次的試片亦有差 異，導致相同負載所造成的熱變形分佈與數值模擬的結果些許差異。
相較於目前業界使用最多的 EL 檢測法，上述這些特徵除可判斷 太陽能電池是否有裂縫存在之外，更可清楚的辨識裂縫種類，尤其在 多晶矽太陽能電池上，矽材料本身有許多摻雜物擴散的缺陷，使 EL
影像中有許多不規則的黑色區域，這些不發光的區域亦有可能是 P 型 或 N 型半導體的表面刮傷所造成，這類型缺陷或許會造成太陽能電 池在電性上的損失，但不會造成整體性的破壞。透過本研究方法，不 僅可以對太陽能電池做全域非破壞的檢測，並且可以對缺陷種類作分 類篩選。
本章最後將探討太陽能電池裂縫周圍產生的變形與裂縫深度及 長度之間的關係。圖 5.10 所示為陽能電池表面刮傷與表面裂縫的實 體照片，矽晶太陽能電池的表面裂縫深度未貫穿整個試片，無法藉著 打光方式突顯裂縫，以致於目測或機器視覺檢測方式漏檢此類型裂縫 的機率相當高。欲知裂縫是否貫穿整體厚度，只需觀察裂縫長度在試 片的正反面是否一致而獲得答案，但若想進一步瞭解裂縫在試片上的 深度，則必須以顯微鏡或者其他量測儀器觀察裂縫的截面。然而，市 售太陽能電池材料薄(厚度約 200 µm)且脆，無法以試片切割而獲得裂 縫面的深度，亦無法從量測儀器直接觀察太陽能電池上裂縫的深度。
透過本研究中加熱的方式，太陽能電池的熱變形會因為裂縫而造成整 體的位移分佈改變，出現 V 形輪廓，輪廓的彎曲角度會隨著裂縫的 深度增加而改變。圖 5.11 所示為長 25 mm 裂縫深度與彎曲角度的模 擬結果，圖中顯示當表面裂縫深度超越整體厚度的 50%時，開始出現 V 形輪廓。意謂本研究方法可以檢測出裂縫深度超過太陽能電池厚度 50%的表面裂縫。然而，根據 3.4 節的裂縫成長穩定性分析結果，矽 材料中的表面裂縫在深度方向成長處於非穩定狀態，會一直成長至矽 -鋁共晶結構才停止，故幾乎不會有小於矽材料厚度的裂縫存在。所 以，本研究方法對於太陽能電池中未貫穿整體厚度的表面裂縫，沒有 檢測上的限制。
除裂縫深度之外，裂縫的長度是造成整體性破壞的關鍵，一套有
效檢測裂縫的方法對裂縫長度必須有一定靈敏度。在本實驗製作人工 裂縫的方法中，在裂縫初始處會發生直徑 1-2 mm 大小的表面壓損，
之後再以鉛筆末端的橡皮擦輕輕碰撞使之延伸，裂縫的長度最短可控 制在 5-10 mm 之內。裂縫面上除壓損區域外，皆為未貫穿試片的表面 裂縫。本研究方法對於裂縫長度的靈敏度測試中，同樣先以 EL 法確 認裂縫長度，再觀察 ESPI 影像中是否出現 V 輪廓作為判斷裂縫存在 的依據。圖 5.12 所示分別為 ESPI 量測系統拍攝太陽能電池上小於 20、15 及 10 mm 的裂縫照片，圖中顯示在長度 10 mm 內的裂縫，依 然能利用光斑干涉條紋的特徵做辨識，說明本研究方法對於裂縫長度 的檢測極限約在 5-10 mm。在裂縫寬度方面，圖 2.11 的 SEM 照片顯 示出本研究的人工裂縫寬度皆小於 5µm，本研究方法對於裂縫寬度的 檢測能力並無限制。
圖 5.1 無裂縫的太陽能電池在 ESPI 量測系統中所拍下的電子光斑
圖 5.2 與圖 5.1 相同之無裂縫試片，在不同起始溫度下，所拍攝出辨 識度較差的電子光斑干涉圖形，(a) 25℃到 25.4 ℃、(b)49.6 ℃ 到 50℃。
(a)
(b)
39 mm 78 mm 39 mm
圖 5.3 長 38 mm 的貫穿裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a) EL 影像(正面)，(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的光斑干涉條紋影像(反面)，(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移等高線分佈圖，
位移範圍從-2.1 至 2 mm，間隔為 0.266 µm。
(a) (b) (c)
0 5 10 15 20 25 30 35
Crack initiation Crack tip
Crack initiation
0 39
Crack initiation Crack tip
Modeled data for 38 mm crack line Modeled data for 38 mm defect free
Uz (µm)
X coordinate on crack (mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
Crack tip
Crack initiation
0 39
Crack initiation Crack tip
Experimental data for 22 mm crack line Experimental data for 22 mm defect free
Uz (µm)
X coordinate on crack (mm)
圖 5.4 長度 38 mm 的貫穿裂縫升溫 0.4℃(32.4-32℃)，裂縫面上的位 移變化：(a) 模擬數據、(b) 實驗數據。
(b) (a)
39 mm 78 mm 39 mm
圖 5.5 長 22 mm 的表面裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移等高線分佈圖。
位移範圍從-1.8 至 2.1 mm，間隔為 0.266 µm。
(a) (b) (c)
0 5 10 15 20 Crack initiation
Crack tip
Crack tip Crack initiation
Uz (µm)
X coordinate on crack (mm)
Prediction for 22 mm crack line Prediction for 22 mm defect free
0 5 10 15 20 Crack initiation
Crack tip
Crack tip Crack initiation
Uz (µm)
X coordinate on crack (mm)
Experimental data for 22 mm crack line Experimental data for 22 mm defect free
圖 5.6 長度 22 mm 的表面裂縫升溫 0.4℃(32.4-32℃)，裂縫面上的位 移變化：(a) 模擬數據、(b) 實驗數據。
(a)
(b)
39 mm 78 mm 39 mm
圖 5.7 長 18 mm 的表面裂縫在單晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移等高線分佈圖。
位移範圍從-1.3 至 1.2 µm，間隔為 0.266 µm。
(b) (c) (a)
39 mm 78 mm 39 mm 39 mm 78 mm 39 mm
圖 5.8 直徑 33 mm 的內部裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移等高線分佈圖。
位移範圍從-1.6 至 1.2 µm，間隔為 0.266 µm。
(a) (b)
(c)
39 mm 78 mm 39 mm
圖 5.9 直徑 30 mm 的內部裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移等高線分佈圖。
位移範圍從-0.6 至 1.1 µm，間隔為 0.266 µm。
(b)
(a) (c)
圖 5.10 太陽能電池表面缺陷示意圖；(a)表面刮傷、(b)表面裂縫。
(a)
(b)
0 20 40 60 80 100 0
20 40
D eflection ang le (deg rees)
Crack depth ratio d/h (%)
圖 5.11 模擬長 25 mm 的裂縫受熱後所產生的等高線，偏斜角度為表 面裂縫的深度比例的函數。