Het fenomeen van bruine tinten op het oppervlak van monokristallijne siliciumwafels is een verklaarbaar proceskenmerk in de fotovoltaïsche industrie, maar moet worden beoordeeld in combinatie met specifieke productielinks. Als kernmateriaal van fotovoltaïsche cellen ondergaan monokristallijne siliciumwafels tijdens de verwerking meer dan tien processen, en de veranderingen in de oppervlaktemorfologie in verschillende stadia hebben rechtstreeks invloed op de visuele kenmerken van het eindproduct.
Tijdens het kristalgroeiproces hebben monokristallijne siliciumstaven die zijn gegroeid volgens de Czochralski-methode gewoonlijk een zilver-grijze metaalachtige glans. Wanneer het snijproces wordt gestart, zal er zich een schadelaag op micron-niveau vormen op het oppervlak van de siliciumwafel die is doorgesneden met diamantdraad, en het oppervlak zal een uniforme, matte textuur hebben. Als een siliciumwafel in deze basistoestand een plaatselijke bruine tint heeft, betekent dit vaak dat er sprake is van abnormale vervuiling, die kan worden veroorzaakt door achtergebleven snijvloeistof of een onjuiste controle van de werkplaatsomgeving.
Het fenomeen oppervlaktekleuring in belangrijke procesverbindingen verdient speciale aandacht. Bij het fosfordiffusieproces zou de fosfor-siliciumglaslaag (PSG), gevormd onder hoge temperatuur, normaal gesproken lichtgrijs moeten lijken. Als er bruine resten worden waargenomen, wijst dit er meestal op dat het beitsproces van het fosfor-siliciumglas onvoldoende is. Volgens het kwaliteitsprobleemanalyserapport uit 2020 van een bedrijf stijgt het PSG-residu tot 13% wanneer de zuurconcentratie 5% lager is dan de standaardwaarde, en zijn er duidelijke donkere vlekken te zien in de EL-test van de overeenkomstige componenten.
Het interferentiekleurontwikkelingsmechanisme van het coatingproces behoeft speciale uitleg. De optische dikte van de siliciumnitride anti{1}}reflectiefilm gevormd door plasma-enhanced chemische dampafzetting (PECVD) wordt nauwkeurig gecontroleerd om destructieve interferentie van specifieke golflengten te bereiken. Onder normale procesomstandigheden zou het er donkerblauw of paars uit moeten zien. Wanneer de afwijking van de filmdikte groter is dan ±3 nm, kan er een bruin-rode tint verschijnen. Deze kleurverandering houdt rechtstreeks verband met de lichtabsorptie-efficiëntie van de cel. Uit de gemeten gegevens blijkt dat een afwijking van 5 nm in filmdikte een afname van 0,3% in de conversie-efficiëntie zal veroorzaken.
Oppervlakteoxidatie veroorzaakt door omgevingsfactoren kan niet worden genegeerd. Wanneer siliciumwafels worden blootgesteld aan een zuurstof{1}}houdende omgeving, kan er bij kamertemperatuur per uur een natuurlijke oxidelaag van ongeveer 0,2 nm worden gevormd. In een vochtige omgeving zal het katalytische effect van metaalverontreinigingen het oxidatieproces versnellen en zal er een kleurontwikkelingseffect worden geproduceerd na de vorming van een oxidelaag op micron-niveau. Uit een geval van een extern-testbureau bleek dat een partij modules op zee gedeeltelijk was geoxideerd als gevolg van beschadigde verpakking. De IV-curve liet een toename van 17% in de lekstroom zien, en het overeenkomstige oxidatiegebied vertoonde een typisch bruin-rood ringpatroon.
Abnormale verkleuring veroorzaakt door vervuiling moet systematisch worden onderzocht. Metaalvervuiling (zoals ijzer en koper) condenseert na het sinterproces naar het oppervlak en vormt metaalsiliciden die als bruine vlekken verschijnen. Bij een kwaliteitsongeval bij een fotovoltaïsche installatie in 2018 zorgde ijzervervuiling, veroorzaakt door slijtage van het lager van de transportband, ervoor dat de efficiëntie van de hele partij modules met 2,8% daalde. Uit faalanalyses bleek dat het Fe-gehalte in het vervuilde gebied de norm 100 keer overschreed. Dit soort vervuiling kan nauwkeurig worden gelokaliseerd door middel van PL-beeldvorming of SIMS-detectie.
Voor het bruine fenomeen dat ter plekke wordt aangetroffen, wordt aanbevolen een diagnostisch proces op drie-niveaus uit te voeren: voer eerst een visuele inspectie uit om onderscheid te maken tussen algemene verkleuring en lokale vlekken; ten tweede, gebruik een draagbare spectrofotometer om filmparameters te detecteren; en ten slotte monsters nemen voor de analyse van EDX-componenten. Bij een exploitatie- en onderhoudsgeval van een elektriciteitscentrale werd de bruine verkleuring van het frame, veroorzaakt door het PID-effect, via dit proces binnen 48 uur bevestigd en werden reparaties op tijd uitgevoerd om verlies aan systeemefficiëntie te voorkomen.
Industrienormen bevatten duidelijke bepalingen voor de kleuring van oppervlakken. De IEC 61215-norm vereist dat het uiterlijk van de componenten geen abnormale kleurverschillen mag vertonen die de prestaties beïnvloeden, maar uniforme kleurveranderingen mogelijk maakt die de uitvoerkarakteristieken niet beïnvloeden. Bij daadwerkelijke kwaliteitscontrole wordt aanbevolen om EL-testen en efficiëntieverificatie te combineren voor een alomvattend oordeel om verkeerde inschattingen te voorkomen die worden veroorzaakt door uitsluitend te vertrouwen op visueel oordeel.
Vanuit het perspectief van optimalisatie van het productieproces hebben toonaangevende bedrijven een digitaal kleurenbeheersysteem opgezet. Via online spectrale detectie en gesloten-filmdiktecontrole worden kleurafwijkingen opgenomen in de statistische procescontrole van SPC. Nadat een productielijn van TOPCon dit systeem had toegepast, daalde het percentage defecten in het uiterlijk van 0,7% naar 0,12%. Deze technologische evolutie markeert de upgrade en transformatie van fotovoltaïsche productie van 'prestatie-gericht' naar 'uitmuntende prestaties en uiterlijk'.
