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掃描電子顯微鏡在光伏原輔材料檢驗(yàn)中的應(yīng)用

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2019-06-12 17:11

在材料檢驗(yàn)和分析工作中,顯微分析是重要的手段之一,常見(jiàn)的顯微分析儀器有光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。光學(xué)顯微鏡利用的是光學(xué)信號(hào),光源是可見(jiàn)光,由于受到光源波長(zhǎng)的影響,其放大倍數(shù)受到限制,通常只能放大至1000倍左右。而掃描電子顯微鏡(SEM)利用的是靜止或在樣品表面進(jìn)行光柵掃描的一束精細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面,產(chǎn)生各種信號(hào),如二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征射線及不同能量的光子等,利用電磁透鏡系統(tǒng)成像,對(duì)固體材料進(jìn)行分析。由于SEM具有高分辨、大景深等特性,其在生物、地質(zhì)、固體物理、電子及材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究和分析工作中具有重要作用。

 

隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,光伏原輔材料的檢驗(yàn)和分析工作也逐漸深入。掃描電子顯微分析作為重要的分析方法之一,在光伏原輔材料的常規(guī)檢驗(yàn)、研究開(kāi)發(fā)、失效分析等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

 

筆者以鍍膜玻璃、硅片、焊帶、背板等光伏原輔材料為例,采用SEM對(duì)各種材料進(jìn)行分析,以展示SEM在鍍膜玻璃膜層結(jié)構(gòu)觀察、膜厚測(cè)量、硅片表面形貌及間距分析、焊帶表面微觀分析、背板類(lèi)型分辨、各層厚度測(cè)量等方面的重要應(yīng)用。

 

試樣制備與試驗(yàn)方法

 

1、試樣制備

光伏原輔材料是組成光伏組件及系統(tǒng)的各種材料的統(tǒng)稱(chēng),通常包括鍍膜玻璃、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)膠膜、電池片(硅片、漿料)、焊帶、背板、邊框、支架等,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

掃描電子顯微鏡在光伏原輔材料檢驗(yàn)中的應(yīng)用

圖1 光伏組件及原輔材料結(jié)構(gòu)圖

 

該次試驗(yàn)分別選取鍍膜玻璃、電池片、焊帶、背板為試驗(yàn)樣品。選取鍍膜玻璃鋼化片,用實(shí)驗(yàn)室榔頭敲擊玻璃邊緣,取玻璃中間位置處的碎片2片,分別用于觀察膜層表面及橫截面形貌。鍍膜玻璃試樣經(jīng)過(guò)超聲清洗烘干后,固定于樣品臺(tái)上,由于試樣導(dǎo)電性差,需用離子濺射儀進(jìn)行噴金處理,噴金靶材為鉑。取印刷燒結(jié)處理后的電池片,截取橫截面試樣固定于樣品臺(tái)上,用于觀察硅片的橫截面形貌。截取適量焊帶試樣固定于樣品臺(tái)上,用于觀察其表面涂層的形貌。

 

選取兩種不同的復(fù)合型背板,分別切取適量試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光,再將鑲嵌后的樣品用純水和酒精依次清洗烘干。鑲嵌時(shí)將試樣垂直放置,使試樣橫截面位于鑲嵌樣的表面。將烘干后的試樣固定在樣品臺(tái)上,用離子濺射儀進(jìn)行噴金處理。

 

2、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器有:德國(guó)蔡司的Sigma型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,配備樣品室二次電子探測(cè)器(SE2)、鏡筒內(nèi)二次電子探測(cè)器(Inlens)、背散射電子探測(cè)器(EBSD)及能譜儀(EDS),其中SE2和Inlens均用于形貌觀察,但I(xiàn)nlens信號(hào)更貼近表面,更適宜高倍近距離觀察微觀形貌;北京意力博通技術(shù)發(fā)展有限公司的ETD-2000型離子濺射儀,濺射靶材為鉑。

 

測(cè)試條件為:鍍膜玻璃試樣測(cè)試時(shí)加速電壓為5kV,工作距離為5mm左右,選用Inlens;其余試樣測(cè)試時(shí)加速電壓為20kV,工作距離為10mm左右,選用SE2。

 

試驗(yàn)結(jié)果與討論

1、鍍膜玻璃膜層微觀分析

鍍膜玻璃也稱(chēng)為減反射膜玻璃,即在玻璃的表面鍍制一層或多層的減反射膜,用于減少光伏組件表面的光反射損失,增加光的透射,從而提高光伏組件的發(fā)電效率。然而,采用不同鍍膜液及鍍膜工藝制備的鍍膜玻璃性能各不相同,膜層結(jié)構(gòu)及厚度不同,從而光學(xué)性能及耐環(huán)境老化性能也各不相同。采用SEM對(duì)鍍膜玻璃膜層表面及橫截面微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2所示。

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圖2 鍍膜玻璃的微觀形貌

 

從圖2可以看出:膜層表面存在均勻分布的孔隙,其尺寸為50~300nm;橫截面形貌可見(jiàn)其膜層內(nèi)部也存在一定孔隙,整體呈現(xiàn)顆粒堆積狀,膜層厚度均勻,測(cè)量其厚度約為140nm。

 

根據(jù)薄膜干涉原理,當(dāng)光射到媒質(zhì)的分界面上時(shí),在一般情況下反射光和折射光同時(shí)存在。理論研究指出,在垂直入射的情況下,單層膜的反射率R1為

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 式中:n1為膜的折射率;n0,ns分別為膜兩側(cè)媒質(zhì)的折射率;λ0為入射波波長(zhǎng);d為膜的厚度。

 

當(dāng)膜的光學(xué)厚度為λ0/4的奇數(shù)倍、光垂直入射于膜上時(shí),上表面和下表面反射光的強(qiáng)度相等,位相相反,產(chǎn)生相消干涉,使反射光消失,透射光增強(qiáng)。試驗(yàn)采用的鍍膜玻璃膜層主要成分為SiO2,其折射率為1.63,玻璃的折射率為1.52,空氣的折射率約為1,根據(jù)理論計(jì)算其單層膜厚度約為120nm。然而實(shí)際生產(chǎn)中,由于膜層結(jié)構(gòu)的影響,膜層存在一定孔隙,其折射率發(fā)生變化,因此膜層厚度為100~150nm。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,未鍍膜太陽(yáng)能超白壓花玻璃原片的太陽(yáng)光有效透射比一般為91.5%~92.0%,鍍膜后太陽(yáng)光有效透射比一般為93.5%~94.0%,鍍膜后太陽(yáng)光有效透射比增加約2%。

 

2、硅片表面形貌觀察

 

電池片在有光照的情況下發(fā)生光生伏特效應(yīng),是光伏組件發(fā)電的關(guān)鍵部位,而其中發(fā)電原料來(lái)自于硅片,硅片的性能及處理工藝直接影響電池片的性能。

 

分別截取金剛線切割未制絨單晶硅片及制絨后單晶硅片試樣,按照ASTM E424-71(Reapproved2001)測(cè)試其各自在太陽(yáng)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)(380~1100nm)的反射率,結(jié)果如圖3所示。

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圖3 不同硅片試樣的反射率

 

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,未制絨硅片試樣的反射率為37.06%,制絨后硅片試樣的反射率為16.86%,可見(jiàn)制絨后硅片試樣比未制絨硅片試樣的反射率下降20.20%。

 

利用SEM對(duì)未制絨硅片試樣及制絨后硅片試樣的橫截面微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。

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圖4 不同硅片的微觀形貌

 

由圖4可見(jiàn):未制絨硅片試樣表面整體平整,僅邊緣處有數(shù)微米深的損傷層,損傷層一般由切割工藝導(dǎo)致;制絨后硅片試樣表面形成了均勻分布的山峰狀金字塔結(jié)構(gòu)。硅片表面制絨是利用硅的各向異性腐蝕性,在表面形成四面方錐體金字塔結(jié)構(gòu)。入射光在經(jīng)過(guò)表面的金字塔結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生多次反射和折射,增加了光的吸收,減少了光的反射,從而可以提高電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。

 

3、焊帶表面微觀分析

光伏焊帶又稱(chēng)涂錫銅帶,用于電池片之間的連接將電流導(dǎo)出,主要包含匯流帶和互聯(lián)帶。目前使用的焊帶一般是在金屬基材上連續(xù)均勻涂覆一層低熔點(diǎn)的金屬或合金,基材主要為銅,涂層焊料通常為錫鉛焊料或無(wú)鉛焊料。由于錫鉛焊料的焊接性能好且價(jià)格相對(duì)較低,所以目前多使用錫鉛焊料作為涂層焊料。

 

分別取外觀平整光亮的匯流帶及目測(cè)有凸點(diǎn)不光潔平整的匯流帶試樣,使用SEM對(duì)其表面形貌進(jìn)行觀察,如圖5所示。

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圖5 焊帶錫鉛層表面形貌

 

從圖5可以看出:外觀不光潔平整試樣表面的錫鉛涂層存在較多凸起,且凸起位置均為淺色區(qū)域;外觀平整試樣表面均勻,淺色區(qū)域與深色區(qū)域呈彌散分布,有部分?jǐn)?shù)微米級(jí)的淺色區(qū)域存在。使用EDS探頭分別對(duì)深色區(qū)域和淺色區(qū)域進(jìn)行成分分析發(fā)現(xiàn):深色區(qū)域主要成分為錫元素,有少量鉛元素,為富錫相;淺色區(qū)域主要成分為鉛元素,有少量錫元素,為富鉛相,即外觀不光潔平整試樣的表面凸起處為富鉛相。

 

一般來(lái)說(shuō),錫鉛共晶組織為具有一定取向的錫相和鉛相的層片狀組織。但由于熱涂覆后錫鉛合金凝固時(shí)其固液相界面不平衡,層片組織被破壞,從而形成波浪狀、棒狀或球狀組織,形成富鉛相和富錫相。嚴(yán)重偏析會(huì)使焊帶產(chǎn)生外觀不均勻,并影響其焊接性能。

 

4、背板截面微觀分析及厚度測(cè)量

 

背板位于晶硅組件的背面(雙玻組件除外),是重要的封裝材料,具有良好的絕緣性和水氣阻隔性,從而對(duì)電池片起到保護(hù)作用。目前市場(chǎng)上主要有復(fù)合、涂覆和共擠3種類(lèi)型背板,復(fù)合型背板的應(yīng)用市場(chǎng)較為廣泛。復(fù)合型背板為多層復(fù)合結(jié)構(gòu),中間一般為聚酯薄膜(PET)層,外層為氟膜層(主要包括聚氟乙烯PVF、聚偏氟乙烯PVDF等),氟膜層和PET之間用膠水進(jìn)行黏結(jié)。其中PET主要起到電氣絕緣、水氣阻隔、力學(xué)支撐等作用,氟膜層主要起到耐環(huán)境老化等作用。背板各復(fù)合層的厚度直接關(guān)系到其性能。

 

分別取雙面復(fù)合及單面復(fù)合的背板橫截面試樣進(jìn)行測(cè)試,采用SEM對(duì)背板橫截面進(jìn)行觀察,如圖6所示。

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圖6 復(fù)合型背板的橫截面形貌

 

由圖6可見(jiàn):雙面復(fù)合試樣為在中間層的兩側(cè)通過(guò)膠水各黏附了一層氟膜層;單面復(fù)合試樣在中間層的一側(cè)通過(guò)膠水黏附了一層氟膜層,另一側(cè)為涂料層,且厚度較薄。根據(jù)背板橫截面掃描電鏡形貌可測(cè)量背板的各層厚度。

 

結(jié)論

使用掃描電子顯微鏡對(duì)光伏原輔材料的膜層進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察和膜厚測(cè)量,可結(jié)合鍍膜工藝進(jìn)行研究,來(lái)提升鍍膜玻璃的各項(xiàng)性能。使用掃描電子顯微鏡研究了硅片表面的金字塔結(jié)構(gòu)形貌及間距、制絨工藝與電池片轉(zhuǎn)換效率三者之間的關(guān)系,可通過(guò)優(yōu)化工藝改善電池片的性能。使用掃描電子顯微鏡對(duì)焊帶表面的錫鉛偏析情況進(jìn)行了觀察,可對(duì)焊帶的性能進(jìn)行評(píng)估。使用掃描電子顯微鏡對(duì)背板進(jìn)行了微觀分析,可分辨背板類(lèi)型,測(cè)量各層厚度,可為背板驗(yàn)貨及鑒定等工作提供直接證據(jù)。

 

在光伏原輔材料的檢驗(yàn)和研究工作中合理使用掃描電子顯微鏡,不僅能為既有的材料提供相關(guān)的測(cè)試方法和數(shù)據(jù),還能為新材料開(kāi)發(fā)提供新的檢驗(yàn)方法。

 

 

 

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來(lái)源:理化檢驗(yàn)

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