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太阳能发电是解决能源危机的有效途径之一。在过去的几十年中，以硅基太阳能电池为代表的各类光伏器件发展迅速，为光伏发电取代传统发电积蓄力量。然而太阳能电池在制造生产过程中，难免会出现各式各样的问题，特别是从原材料到制成太阳能电池成品的过程中，诸如缺陷、断栅、扩散长度分布不均、局域漏电等问题会极大地降低电池的效率。这些问题大部分都是传统的检测方法（例如I-V测试、量子效率测试等）无法识别的。因此，实验室及产业界亟需准确、快速、全面的非破坏性成像检测方法。 本论文系统地研究了两种用于太阳能电池无损快速检测的先进发光成像表征方法，分别为电致发光成像和光致发光成像。工作主要分为两大部分:1、两套成像检测系统的设计与搭建;2、基于此系统对多晶硅片有效扩散长度的二维量化表征研究及对硅基太阳电池不同类型、不同深度缺陷的分辨研究。完成的主要工作和研究创新点如下: 1、基于光注入或电注入下过剩载流子的自发辐射复合发射光子的物理机制，设计并搭建了外界电注入下的电致发光成像系统以及光注入下的光致发光成像系统。分析了影响发光成像检测效果的主要因素，着重研究了用于大面积均匀照射的光纤激光器光束能量整形系统。给出了系统中光学、电学、软件控制等关键问题的解决方法，实现了几秒钟内可获得上百万个数据点的高分辨率成像检测系统。 第一部分工作的主要创新点在于光纤耦合输出激光器的光束整形光学系统的设计。这是国际上首次提出应用光学积分棒或复眼透镜作为核心均匀光器件，配合前光学耦合及后中继成像的大面积光束整形系统。这种方法曾广泛应用于小尺度下的激光器耦合及投影系统中，在诸如发光成像系统这样的大面积均匀光应用背景下，还数首次。为各类大面积均匀激光光斑的设计应用，提供了一种崭新的方法。 2、利用上述自行设计搭建发光成像检测系统，对硅基太阳能电池的载流子有效扩散长度和缺陷性质进行深入研究。 (1)在扩散长度的研究中，首先建立了从样品吸收激励光子到CCD捕获自发辐射复合光子的一整套物理模型，研究了不同波长滤光片及探测表面与物理参数的关系。依据物理模型推导公式，得到了CCD上每一个像素点的灰度值与扩散长度的数学关系，利用光致发光成像开创性的提出量化表征多晶硅片扩散长度二维分布的方法。 (2)在缺陷的研究中，基于多晶硅电池的击穿辐射发光、带间辐射复合发光及缺陷复合发光表现出的不同发光性质，研究了不同类型缺陷在三种发光机制下的表现形式。分析了P-N结在外加电场下空间电荷区变化对缺陷发光的影响，不断展宽的空间电荷区会逐渐把靠近它的缺陷包含进去而引起韧释发光效应。利用不同的电致发光成像图，提出了一种分辨铝原子污染致高漏电区域、带间缺陷和氧团簇三种不同类型缺陷，及表面发射极和体材料不同深度缺陷的方法，并利用光束诱导电流成像和光致发光成像对其进行了验证。 第二部分工作的主要创新点在于原创性的提出一种量化分析半导体材料和器件扩散长度值二维分布的方法，目前国际上的相关研究大都是定性的分析而非量化表征，即使是量化分析也需要很多材料本身及实验设备的相关参数，非常复杂。本论文提出的这个方法，巧妙的避免了参数的冗余，利用多福成像图直接拟合出准确可信的扩散长度数值分布。这种方法可以应用于各种半导体材料及从材料到器件封装过程中的每一步工艺过程。