MDP 技術(shù)-硅錠質(zhì)量評(píng)估的 “透視眼"

在光伏生產(chǎn)鏈中，硅錠材料質(zhì)量評(píng)估對(duì)晶體生長(zhǎng)者優(yōu)化結(jié)晶過(guò)程、電池、芯片制造商篩選材料以降本增效極為重要。傳統(tǒng)依賴最終效率的反饋方式存在諸多不足，MDP技術(shù)則為早期質(zhì)量評(píng)估提供了新途徑。

Freiberg Instruments相關(guān)技術(shù)或設(shè)備助力實(shí)現(xiàn)用MDP技術(shù)在硅磚四個(gè)側(cè)面以1mm分辨率測(cè)量空間壽命和電阻率圖像。這種測(cè)量具有非接觸、可在線操作且無(wú)需校準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。MDP技術(shù)能夠對(duì)晶錠的空間分辨載流子壽命和電阻率進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量過(guò)程為非接觸式，可在生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)操作，且無(wú)需額外校準(zhǔn)。這一特性使得測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便高效，避免了因接觸測(cè)量帶來(lái)的誤差和對(duì)硅磚的損傷，同時(shí)能及時(shí)獲取大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供充足依據(jù)。

其次可以反映材料本質(zhì)特性：硅磚可視為一種半無(wú)限表面樣品，其MDP壽命測(cè)量受表面復(fù)合影響較小，能精準(zhǔn)反映材料的實(shí)際體壽命。這一優(yōu)勢(shì)是其他測(cè)量方式難以企及的，通過(guò)MDP測(cè)量得到的體壽命數(shù)據(jù)，與產(chǎn)品的最終性能緊密相關(guān)，是評(píng)估材料質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)（如圖1）。

圖 1：晶錠（a）右側(cè)、（b）上側(cè)、（c）左側(cè)和（d）下側(cè)的壽命測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量圖像中提取受污染區(qū)域面積分?jǐn)?shù)、壽命（針對(duì)邊緣角落硅磚提出加權(quán)調(diào)和平均計(jì)算方法）、電阻率和位錯(cuò)等特征。其中，利用Freiberg Instruments參與相關(guān)研發(fā)的MDP技術(shù)獲取的高質(zhì)量測(cè)量數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確提取這些特征奠定基礎(chǔ)。例如，通過(guò)其設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)量的壽命數(shù)據(jù)，能更合理地計(jì)算加權(quán)調(diào)和平均值（如圖2）。

圖 2 展示了從兩塊在不同區(qū)域裁剪的硅磚的 MDP 壽命圖像中檢測(cè)到的位錯(cuò)情況。如上圖所示，即使在對(duì)比度不變的區(qū)域，位錯(cuò)檢測(cè)也很可靠。

模型構(gòu)建：以提取的特征和太陽(yáng)能電池短路電流值為輸入，采用回歸增強(qiáng)隨機(jī)森林（RERF）模型預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓。這一過(guò)程中，MDP測(cè)量的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了模型訓(xùn)練的可靠性，Freiberg Instruments的技術(shù)支持使得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性得以保障（如圖3）。

圖 3：四塊不同材料質(zhì)量晶錠的開(kāi)路電壓（Voc）

使用來(lái)自19塊不同位置HPM和CM硅磚制成的約1200個(gè)工業(yè)Al - BSF太陽(yáng)能電池構(gòu)建數(shù)據(jù)集，涵蓋不同坩堝尺寸和硅錠高度。實(shí)驗(yàn)中使用的MDP測(cè)量設(shè)備與Freiberg Instruments緊密相關(guān)，確保了數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。

圖 4：比較來(lái)自不同錠的兩個(gè)中心的測(cè)量值（實(shí)心）和預(yù)測(cè)值（空心）（Voc）值與磚高度的關(guān)系。

模型評(píng)估：對(duì)不同材料類(lèi)別分別開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)模型并優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)留一法進(jìn)行盲測(cè)評(píng)估模型準(zhǔn)確率（如圖4）。得益于Freiberg Instruments的技術(shù)支持，MDP測(cè)量數(shù)據(jù)的高質(zhì)量使得模型評(píng)估結(jié)果更可靠。

模型對(duì)HPM和CM硅磚開(kāi)路電壓預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差分別為3.06mV和4.85mV；加權(quán)調(diào)和平均壽命提升了預(yù)測(cè)精度；模型能有效區(qū)分不同質(zhì)量硅磚，但對(duì)缺陷分布不均材料預(yù)測(cè)精度受限。

本研究借助MDP技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了硅錠的早期質(zhì)量評(píng)估，為光伏產(chǎn)業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)手段。未來(lái)，MDP技術(shù)有望在更多材料和工藝中得到應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。Freiberg Instruments的技術(shù)或設(shè)備在其中發(fā)揮了作用，為光伏產(chǎn)業(yè)早期評(píng)估硅錠質(zhì)量提供了可靠手段，有助于優(yōu)化生產(chǎn)流程、提升產(chǎn)業(yè)效益。未來(lái)可進(jìn)一步探索該技術(shù)在不同材料和工藝中的應(yīng)用。

該文章翻譯于Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems和Freiberg Instruments等機(jī)構(gòu)共同研究的工作。本文發(fā)表于37th European PV Solar Energy Conference and Exhibition中，詳情可查閱：EARLY STAGE QUALITY ASSESSMENT IN SILICON INGOTS FROM MDP BRICKCHARACTERIZATION.