MDP 技術-硅錠質量評估的 “透視眼"

在光伏生產鏈中，硅錠材料質量評估對晶體生長者優化結晶過程、電池、芯片制造商篩選材料以降本增效極為重要。傳統依賴最終效率的反饋方式存在諸多不足，MDP技術則為早期質量評估提供了新途徑。

Freiberg Instruments相關技術或設備助力實現用MDP技術在硅磚四個側面以1mm分辨率測量空間壽命和電阻率圖像。這種測量具有非接觸、可在線操作且無需校準的優勢。MDP技術能夠對晶錠的空間分辨載流子壽命和電阻率進行測量，其測量過程為非接觸式，可在生產線上實時操作，且無需額外校準。這一特性使得測量過程簡便高效，避免了因接觸測量帶來的誤差和對硅磚的損傷，同時能及時獲取大量數據，為后續分析提供充足依據。

其次可以反映材料本質特性：硅磚可視為一種半無限表面樣品，其MDP壽命測量受表面復合影響較小，能精準反映材料的實際體壽命。這一優勢是其他測量方式難以企及的，通過MDP測量得到的體壽命數據，與產品的最終性能緊密相關，是評估材料質量的關鍵指標（如圖1）。

圖 1：晶錠（a）右側、（b）上側、（c）左側和（d）下側的壽命測量結果

從測量圖像中提取受污染區域面積分數、壽命（針對邊緣角落硅磚提出加權調和平均計算方法）、電阻率和位錯等特征。其中，利用Freiberg Instruments參與相關研發的MDP技術獲取的高質量測量數據，為準確提取這些特征奠定基礎。例如，通過其設備精準測量的壽命數據，能更合理地計算加權調和平均值（如圖2）。

圖 2 展示了從兩塊在不同區域裁剪的硅磚的 MDP 壽命圖像中檢測到的位錯情況。如上圖所示，即使在對比度不變的區域，位錯檢測也很可靠。

模型構建：以提取的特征和太陽能電池短路電流值為輸入，采用回歸增強隨機森林（RERF）模型預測太陽能電池開路電壓。這一過程中，MDP測量的精準數據保證了模型訓練的可靠性，Freiberg Instruments的技術支持使得數據的準確性和穩定性得以保障（如圖3）。

圖 3：四塊不同材料質量晶錠的開路電壓（Voc）

使用來自19塊不同位置HPM和CM硅磚制成的約1200個工業Al - BSF太陽能電池構建數據集，涵蓋不同坩堝尺寸和硅錠高度。實驗中使用的MDP測量設備與Freiberg Instruments緊密相關，確保了數據采集的全面性和準確性。

圖 4：比較來自不同錠的兩個中心的測量值（實心）和預測值（空心）（Voc）值與磚高度的關系。

模型評估：對不同材料類別分別開發預測模型并優化參數，通過留一法進行盲測評估模型準確率（如圖4）。得益于Freiberg Instruments的技術支持，MDP測量數據的高質量使得模型評估結果更可靠。

模型對HPM和CM硅磚開路電壓預測平均絕對誤差分別為3.06mV和4.85mV；加權調和平均壽命提升了預測精度；模型能有效區分不同質量硅磚，但對缺陷分布不均材料預測精度受限。

本研究借助MDP技術成功實現了硅錠的早期質量評估，為光伏產業優化生產流程、提高生產效率和產品質量提供了可靠的技術手段。未來，MDP技術有望在更多材料和工藝中得到應用，進一步推動光伏產業的發展。Freiberg Instruments的技術或設備在其中發揮了作用，為光伏產業早期評估硅錠質量提供了可靠手段，有助于優化生產流程、提升產業效益。未來可進一步探索該技術在不同材料和工藝中的應用。

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