太阳能电池的微观结构分析

光伏（PV）细胞的开发和商业化正在快速进行。晶圆细胞和模块的制造商预计将制造极具可靠和耐用的面板。虽然市场在市场上有超过25年的保证需求，但由于金属互连的持续压力，产品的质量会随着时间的推移而恶化。通过执行横截面显微镜分析可以克服该问题，以从材料检测和涂层分析的互连验证来提高模块/电池可靠性。本文呈现了不同的技术，用于制备晶体硅太阳能电池的高质量横截面样本，以识别降解机制和焊料工艺质量。

常见的异常

暴露于热循环是电子组件故障的主要原因。为了抵抗重复的热应力，突片带键应耐用可靠。为了在预加速和后期的细胞互连老化期间评估热机械应力，进行微观结构分析。焊料互连的老化导致关节的恒定膨胀和收缩，这导致焊料疲劳，变得脆弱，并且破碎成较大的晶粒，改变焊料互连的机械性能。为了评估旧粘接材料的效率，或者在过渡到无铅焊料时，通常进行细胞研究。亚博网站下载原材料，微电子电气部件和晶片的横截面分析显示下述参数：亚博网站下载

• 可怜的焊料润湿
• 关节裂缝
• 杂质
• 焊接孔隙率和微脂糖
• 焊料厚度和分层
• 焊料半月板
• 不可接受的焊料，硅和铜微观结构
• 金属间相，粗化等。

抽样技术

可以从电池中提取焊点、铜带和母线(金属化线)来制备微细切片。太阳能电池在前后两侧(图1)用镀铜焊料带串联连接。这些带状是软焊接(铅基焊料)到膏状母线材料，其中主要是玻璃和银颗粒。yabo214后者使电池具有可焊性和导电性。在使用涂焊带(图2)之前，为了将母线材料粘结到电池上，它在烤箱中硬化。为了延长使用寿命，增强导电性，使用高质量的焊点是必不可少的。

图1。太阳能电池用条形带串联

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图2。在焊接的太阳能电池样品上的连接器显示质量差的切割(顶部)和质量好的切割(底部)

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切片是在单晶(厚膜)或多晶太阳能电池上进行的，以缩小样品，使其达到易于安装、研磨和抛光的尺寸。为了对PV电池互连进行横截面分析，必须对晶圆和焊点(图3)进行切片，而不会对切割表面造成任何重大损坏。这种制备是繁琐的，因为材料是脆弱的，具有各种各样的机械性能。亚博网站下载建议使用快干丙烯酸树脂(如SamplKwick)进行封装^®，在15到25分钟内固化，以防止切片过程中出现碎裂。用刷子将母线涂到电池的侧面来使用树脂(图4)。在切割后和灌封前，可能需要将树脂去除，以便在安装在环氧树脂中时使样品的粘结更牢固。

图3。太阳能电池总线的焊接互连

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图4。多晶硅太阳能电池的正面、顶部和背面

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在覆盖汇流线的丙烯酸树脂完全固化之后，整个电池，大致测量156×156mm×尺寸大约0.2mm，位于ISOM中的太阳能电池夹紧装置（Buehler＃11-2706支架）中^®4000线性精密锯（图5）。应当注意，在利用太阳能电池夹器时，可能不再需要丙烯酸树脂涂层。

图5。比勒太阳能电池支架^®4000和5000线性精密锯

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在整个汇流条切断后，它是交叉切割到可管理的尺寸以供后续安装（图6）。样品测量大约1厘米^²以3750转/分的切割速度和5毫米/分钟的进给速度，使用IsoMet^®金刚石晶圆片LC-15型。选择合适的刀片可以减少因进一步研磨和抛光而不得不消除的损伤。在进行分段时遇到的典型问题有:硅断裂，母线脱落，边缘开裂。裂纹或断裂的边缘(图2)发生由于极高的进给量或粗糙的叶片。

图6。将母线分成适合于安装的样品

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样品安装

样品从光伏太阳能电池切片后，通过在环氧树脂环氧中浇铸来安装在环氧树脂中^®（图7）。EpoxiCure^®确保最佳样品边缘保持和固化在6小时内，没有任何明显的温度增加的安装杯测量1.25 "(32毫米)。EpoxiCure^®可与导电填料组合使用，进行能量色散x射线光谱仪(EDS)分析，或扫描电子显微镜(SEM)。用于样品在SamplKup中的垂直定位^®安装杯，UniClip支持夹(图8)使用。如果有额外的边缘支撑要求，则将环氧树脂与平边填充剂结合(图9)。平边填充剂由球形陶瓷氧化物颗粒组成，可增加安装硬度并减少收缩。yabo214在观察样品边缘特征或测量涂层厚度时，样品边缘保持是一个关键特征。

图7。安装在环氧树脂中的太阳能电池互连^®环氧树脂

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图8。太阳能电池与互连器垂直于横截面，在环氧树脂安装之前用UNICLIP支撑夹夹。

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图9。EpoxiCure^®安装太阳能电池互连与平边填充(白色层)添加，以提高边缘保留。

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样品研磨

装好后，对样品进行机械研磨和抛光。首先，使用碳化物进行样品的平面磨削^®2320粒度SiC研磨纸。研磨消除任何切割损伤，确保表面平坦。由于在磨削时可能会出现人工制品，建议保持最小的磨削时间。有韧性的软金属(如焊料和铜)在研磨时会脱落，通常在抛光时被清除。在研磨后的每一个准备步骤中，都应仔细清洁半自动研磨抛光机使用的样品架，并用自来水清洁机器部件和样品。当使用UltraMet时^®超声波清洁剂，蒸馏水应用于清洁样品，以防止当一些研磨剂携带到下一步骤时样品中的划痕。划痕可能导致电子反向散射衍射（EBSD）微结构分析和故障分析的问题。

样品抛光

打磨后，样品经过多个抛光步骤精制。硅电解槽的抛光涉及四个步骤，包括用装在抛光布上的氧化铝和金刚石磨料抛光。一种更精细的磨料，由MetaDi润滑^®在每个步骤中使用流体。由于细胞材料的变化变化，硬质抛光布用于获得优异的结果。与硬质硅相比，铜和焊料相对较柔软且延展岩。当硬质和软材料在太阳能电池中彼此靠近放置时，柔亚博网站下载软材料以更大的速度除去，导致过度浮雕。这使得样品分析复杂，并且由于材料高度的差异越大，降低了景深。

最后的抛光

最后的抛光是标准技术的最后一步，使用极细的研磨剂(0.02微米)二氧化硅来消除前一步留下的细微划痕。只有少量的材料被移除，所以任何被忽视的损坏可能都无法修复。最后的抛光应该在2分钟内完成，如果在这一步之前已经有适当的样品准备。此时样品可以进行最后的准备振动抛光，以消除任何涂抹效应，并明确界定材料和某些合金相之间的关系。亚博网站下载对于铜和焊料合金，划痕的去除可能非常困难。为了消除轻微的划痕和多余的表面损伤，采用低绒毛抛光布和胶体二氧化硅悬浮液进行振动抛光。图10和11展示了在SAC 305焊料合金上使用振动抛光机的结果。整个样品制备方法及相关参数如表1所示。

图10。未蚀刻的SAC 305焊料合金

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图11。振动抛光后未取消的SAC 305焊点焊隙

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表格1。多晶太阳能电池焊料互连的样品制备

一步	表面	润滑剂	磨料/尺寸	时间（分钟。）	力磅(N)	基地/头转	头的方向
1.表面研磨	销售商品®2碳化硅纸	水	320 (P400)毅力	直到飞机	5磅(22)	300/60	互补
2.	UltraPad™	MetaDi®	9μm元®最高的钻石	5：00	5磅(22)	150/60	对抗
3.	TexMet™	MetaDi®	3µm MetaDi®最高的钻石	4：00	5磅(22)	150/60	互补
4.	MicroCloth®	MetaDi®	1µm MetaDi®最高的钻石	凌晨2点	5磅(22)	150/60	互补
5.	Chemomet.®	MetaDi®	0.02µm MasterMet®2胶体二氧化硅悬浮液	1:30	5磅(22)	150/60	对抗
6.可选	振动图®2振动抛光机;MicroCloth®	N/A	0.02µm MasterMet®2胶体二氧化硅悬浮液	≥60	N/A	N/A	N/A

金相检验

通过对软焊点的研究，保证了太阳能组件生产的质量。焊料互连质量是提高太阳能电池寿命的关键。单个电池通过焊接平面铜涂焊料带和金属化的棒状痕迹串行连接。图12描述了带状互连的横截面视图。图13显示焊料封装铜带两端焊料不足。可进行测量，以确保其他焊料层和母线的适当厚度。

图12。Sn62-Pb36-Ag02非蚀刻太阳能电池铜带的显微结构

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图13。整个太阳能电池互连显示了顶部和底部焊接接缝。

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润湿是一种合金工艺，其中焊料涂覆的带焊接到汇流条。为了确保强烈的稳定连接，执行适当的润湿至关重要。在电子领域中，可以确定润湿角，并且略微凹的润湿角度小于40°。由于屏幕印刷的浆料用于太阳能电池中的总线，很难获得该角度。在图14中示出了焊接涂覆的铜带和汇流条之间的令人满意的焊料润湿角度。​​图15显示了在焊料中显示空隙的不适当的润湿角度。根据其大小和位置，允许允许的空隙的特定百分比（区域）。由于表面光洁度或污染，通常会引起微锭（沿界面的小空隙），通常是小于1mm的直径。

图14。焊铜的适当润湿角

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图15。两个焊料互连显示出润湿角度不足和焊料层中的几个空隙

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在晶片/电池制造或焊接过程中，热应力会导致分层和裂缝的形成。因此，在制备样品时，必须小心避免软金属的涂抹，以免掩盖微裂纹。图16显示了母排的分层和硅片上的裂纹。

图16。光光学图像显示电池互连处接触母线的分层和底部深灰色的晶圆片裂口

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当两个不同的金属彼此扩散时，可以形成金属间化合物。许多无铅和铅焊料将在细胞的寿命上发展。这些化合物可能变硬且脆，它们可以具有比构成金属更大的电阻率。图17中示出了具有无铅焊料互连的铋。图18显示了SN62-PB36-AG02，用KlemM II，共晶焊料材料蚀刻，具有富含Pb的固溶体和富含Sn的固溶体。图19显示了汇流条上方的焊料上方的金属间相位生长的SEM图像，两者在铋无铅焊料上的焊料互连的时效之前和之后。通过标记材料及其元素图，用EDX分析在该过程中开发的不同化合物。亚博网站下载在经过加速老化时不断发展的微观结构及其机械性能的解释，包括对焊点的影响，更好地了解如何增加互连的寿命。

图17。含有无铅焊料SN60-Bi38-Ag02（未置位）互连的铋的微观结构

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图18。SN62-PB36-AG02，用Klemm II蚀刻，共晶焊料用PB的固溶体（暗）和富含Sn的固溶体（浅色）

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图19所示。扫描电镜图像显示加速老化后的金属间化合物相生长:(a)母线上含铋焊料

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硅锭样品制备

在晶圆细胞生产中进行非晶硅锭的微观结构分析对于提高产品性能至关重要。质量目的的材料表征可以暴露晶粒尺寸，结构，杂质，退火双胞胎，并为未来目的进行其过程的记录。与合金相比，纯硅或纯金属的制备是一种复杂且耗时的过程。

该过程开始从铸锭中除去材料，但大部分损坏发生在切割过程中，因此必须注意确保右切片叶片用于减少热和机械损坏。建议使用SimpeMet执行压缩安装^®当样品准备安装时，自动安装压机，因为它不像太阳能电池互连那样精致。为了保证更好的硬度和边缘支持，EpoMet^®F模塑复合材料被用来作为安装介质。样品安装完成后，可采用七步制备方法进行样品制备(表2)。

表2。纯硅制备法

一步	表面	润滑剂	磨料/尺寸	时间（分钟。）	力磅[N]	基地/头转	头的方向
1.表面研磨	销售商品®2碳化硅纸	水冷式	[P280] SiC	直到飞机	5磅[22]	300	互补
2.	销售商品®2碳化硅纸	水冷式	[P400] SiC	1	5磅[22]	300	互补
3.	UltraPad™丝绸	MetaDi®体液	9μm元®	5.	5磅[22]	150.	对抗
4.	三叉戟®	MetaDi®体液	3µm MetaDi®	5.	5磅[22]	150.	互补
5.	三叉戟®	MetaDi®体液	1µm MetaDi®	2	5磅[22]	150.	互补
6.	MicroCloth®		0.02µm MasterMet®2号硅胶	3.	5磅[22]	150.	对抗
7.	MicroCloth®		0.02µm MasterMet®2号硅胶	≥60	振动图®2振动抛光机

图20。用诺玛斯基DIC (100mL水，75g NaOH蚀刻)观察高纯无缺陷多晶硅

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图21。用Nomarski DIC观察多晶硅(100mL水，75g NaOH蚀刻)

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图22。标准样品制备纯单晶，波段对比度205.8

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图23。标准样品制备加纯单晶振动抛光，波段对比度233

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参考文献

1.李志刚，李志刚，李志刚。基于金相法的太阳能电池样品制备方法研究。光电子学报，2011,29(4):579 - 584。

2.实用金相学:Eberlein D, Schmitt P, Voos P。实际金相学2011;第239 - 260页;5 - 2011;2011.

3. G. Cuddalopepatta，等，等：PB在光伏电池中铜互连和硅之间的PB自由焊料的耐久性。在：prog。photovolt。res。应用。，卷。18，pp。168-182。

4.《材料制备背后的科学》，北京科技大学学报，2亚博老虎机网登录007。亚博网站下载

5.乔治F.Vander Voort：ASM手册第9卷 - 金相和微观结构，2004。

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