Das Phänomen der Brauntöne auf der Oberfläche von monokristallinen Siliziumwafern ist ein erklärbares Prozessmerkmal in der Photovoltaikindustrie, muss jedoch im Zusammenhang mit spezifischen Produktionszusammenhängen beurteilt werden. Als Kernmaterial von Photovoltaikzellen durchlaufen monokristalline Siliziumwafer während der Verarbeitung mehr als zehn Prozesse, und die Änderungen der Oberflächenmorphologie in verschiedenen Phasen wirken sich direkt auf die visuellen Eigenschaften des Endprodukts aus.
Beim Kristallwachstumsprozess weisen monokristalline Siliziumstäbe, die mit der Czochralski-Methode gezüchtet werden, normalerweise einen silbergrauen metallischen Glanz auf. Beim Beginn des Schneidvorgangs bildet sich auf der Oberfläche des mit Diamantdraht geschnittenen Siliziumwafers eine Schadensschicht im Mikrometerbereich (-) und die Oberfläche weist eine gleichmäßig matte Textur auf. Wenn ein Siliziumwafer in diesem Grundzustand einen lokalen Braunton aufweist, bedeutet dies oft, dass eine abnormale Verunreinigung vorliegt, die durch restliche Schneidflüssigkeit oder unsachgemäße Kontrolle der Werkstattumgebung verursacht werden kann.
Besondere Aufmerksamkeit verdient das Phänomen der Oberflächenfärbung in wichtigen Prozessverbindungen. Beim Phosphordiffusionsprozess sollte die unter hoher Temperatur gebildete Phosphor-Silizium-Glasschicht (PSG) normalerweise hellgrau erscheinen. Wenn braune Rückstände beobachtet werden, weist dies normalerweise darauf hin, dass der Beizprozess des entphosphorten Siliziumglases unzureichend ist. Laut dem Qualitätsproblemanalysebericht eines Unternehmens aus dem Jahr 2020 steigt die PSG-Restrate auf 13 %, wenn die Säurekonzentration 5 % unter dem Standardwert liegt, und im EL-Test der entsprechenden Komponenten sind deutliche dunkle Flecken zu erkennen.
Der Interferenzfarbenentwicklungsmechanismus des Beschichtungsprozesses bedarf einer besonderen Erklärung. Die optische Dicke des Siliziumnitrid-Antireflexionsfilms, der durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) gebildet wird, wird präzise gesteuert, um destruktive Interferenz bestimmter Wellenlängen zu erreichen. Unter normalen Prozessbedingungen sollte es dunkelblau oder violett erscheinen. Wenn die Abweichung der Filmdicke ±3 nm überschreitet, kann ein brauner bis roter Farbton auftreten. Diese Farbänderung steht in direktem Zusammenhang mit der Lichtabsorptionseffizienz der Zelle. Die gemessenen Daten zeigen, dass eine Abweichung von 5 nm in der Filmdicke zu einer Verringerung der Umwandlungseffizienz um 0,3 % führt.
Durch Umweltfaktoren verursachte Oberflächenoxidation kann nicht ignoriert werden. Wenn Siliziumwafer einer sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt werden, kann sich bei Raumtemperatur pro Stunde eine natürliche Oxidschicht von etwa 0,2 nm bilden. In einer feuchten Umgebung beschleunigt die katalytische Wirkung von Metallverunreinigungen den Oxidationsprozess und nach der Bildung einer Oxidschicht im Mikrometerbereich wird ein Farbentwicklungseffekt erzeugt. Ein Fall einer unabhängigen Prüfstelle ergab, dass eine Charge von Seemodulen aufgrund einer beschädigten Verpackung teilweise oxidiert war. Die IV-Kurve zeigte einen Anstieg des Leckstroms um 17 %, und der entsprechende Oxidationsbereich zeigte ein typisches braun-rotes Ringmuster.
Durch Verschmutzung verursachte abnormale Färbungen müssen systematisch untersucht werden. Metallische Verunreinigungen (wie Eisen und Kupfer) kondensieren nach dem Sinterprozess an der Oberfläche und bilden Metallsilizide, die als braune Flecken erscheinen. Bei einem Qualitätsunfall in einer Photovoltaikanlage im Jahr 2018 führte eine Eisenverschmutzung durch Verschleiß des Förderbandlagers dazu, dass der Wirkungsgrad der gesamten Modulcharge um 2,8 % sank. Die Fehleranalyse ergab, dass der Fe-Gehalt im verschmutzten Bereich den Standard um das Hundertfache überstieg. Diese Art von Verschmutzung kann durch PL-Bildgebung oder SIMS-Detektion genau lokalisiert werden.
Für das vor Ort festgestellte Braunphänomen wird empfohlen, ein dreistufiges Diagnoseverfahren anzuwenden: Führen Sie zunächst eine visuelle Inspektion durch, um zwischen der Gesamtfärbung und lokalen Flecken zu unterscheiden. Zweitens: Verwenden Sie ein tragbares Spektrophotometer, um Filmparameter zu ermitteln. und schließlich Proben für die EDX-Komponentenanalyse entnehmen. In einem Betriebs- und Wartungsfall eines Kraftwerks wurde die durch den PID-Effekt verursachte braune Verfärbung am Rahmen innerhalb von 48 Stunden durch diesen Prozess bestätigt und Reparaturen wurden rechtzeitig durchgeführt, um einen Verlust der Systemeffizienz zu vermeiden.
Industriestandards enthalten klare Bestimmungen zur Oberflächenfärbung. Die Norm IEC 61215 verlangt, dass das Erscheinungsbild der Komponenten keine abnormalen Farbunterschiede aufweist, die sich auf die Leistung auswirken, sondern ermöglicht gleichmäßige Farbänderungen, die sich nicht auf die Ausgabeeigenschaften auswirken. Bei der tatsächlichen Qualitätskontrolle wird empfohlen, EL-Tests und Effizienzüberprüfungen zu kombinieren, um eine umfassende Beurteilung zu ermöglichen und Fehleinschätzungen zu vermeiden, die dadurch entstehen, dass man sich ausschließlich auf die visuelle Beurteilung verlässt.
Im Hinblick auf die Optimierung von Produktionsprozessen haben führende Unternehmen ein digitales Farbmanagementsystem eingerichtet. Durch die Online-Spektralerkennung und die Filmdickenregelung werden Farbabweichungen in die statistische SPC-Prozesskontrolle einbezogen. Nachdem dieses System in einer TOPCon-Produktionslinie eingesetzt wurde, sank die Rate optischer Mängel von 0,7 % auf 0,12 %. Diese technologische Entwicklung markiert die Modernisierung und Transformation der Photovoltaik-Herstellung von „leistungsorientiert“ zu „leistungs- und äußerlich hervorragend“.
