光伏缺陷檢測激光光源的均勻化設(shè)計

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 劉小宇

光伏缺陷檢測激光光源的均勻化設(shè)計

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 劉小宇

針對光纖耦合式半導(dǎo)體激光器輸出激光能量的分布不均勻問題，提出了一種梯形反射圓筒實現(xiàn)激光系統(tǒng)均勻性設(shè)計的方法，通過MATLAB對該方法中的光路及校正前后的激光分布曲線進行了仿真和分析，從而得到最優(yōu)化的參數(shù)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，該方法用于激光非均勻性的校正是可行性的。

光致發(fā)光；激光勻化；梯形反射圓筒；光學(xué)仿真

0引言

在晶體硅太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多嚴重的問題，如碎片、電池片隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時，由于沒有完善的行業(yè)標準，硅片原材料質(zhì)量參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，太陽能行業(yè)需要有快速有效和準確的定位檢驗方法來檢驗太陽能光伏電站中可能出現(xiàn)的問題。

光致發(fā)光缺陷檢測方法是一種非接觸式的缺陷檢測分析手段。PL（photo lum inescence，光致發(fā)光）檢測過程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發(fā)射及CCD（Charge Coup led Device，電荷耦合裝置）成像四個階段。通常利用激光作為激發(fā)光源，提供一定能量的光子，硅片中處于基態(tài)的電子在吸收這些光子后而進入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時間內(nèi)會回到基態(tài)，并發(fā)出一定波長的紅外光為波峰的熒光。利用冷卻的探測器進行感光，將圖像通過計算機顯示出來[1]。發(fā)光的強度與非平衡少數(shù)載流子的密度成對應(yīng)關(guān)系，而缺陷處會成為少數(shù)載流子的強復(fù)合中心，因此該區(qū)域的少數(shù)載流子密度變小導(dǎo)致熒光效應(yīng)減弱，在圖像上表現(xiàn)出來就成為暗色的點、線，或一定的區(qū)域，而在電池片內(nèi)復(fù)合較少的區(qū)域則表現(xiàn)為比較亮的區(qū)域。因此，通過觀察光致發(fā)光成像能夠判斷硅片或電池片是否存在缺陷。

光致發(fā)光檢測方法的前提條件是均勻化的激光光源，太陽電池的尺寸一般為156mm×156mm，因此激光光源的尺寸也必須達到156mm×156mm，而激光輻照強度必須超過100mw/cm2（毫瓦/平方厘米），這樣大功率的激光光源一般采用光纖耦合式半導(dǎo)體激光器[2]。但是這種激光器直接輸出的激光能量呈高斯分布曲線[3]，均勻性很差，難以滿足測試需求。因此，激光系統(tǒng)的均勻化設(shè)計成為光致發(fā)光技術(shù)應(yīng)用在太陽電池缺陷檢測領(lǐng)域的關(guān)鍵。

1方法的提出

太陽電池片在激光的激發(fā)下產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生的熒光量與入射的激光能量成正比，因此要求入射的激光能量在整個太陽電池的輻照面內(nèi)均勻分布，如圖1所示。但是，光纖耦合式半導(dǎo)體激光器直接輸出的激光能量分布按輸出角度為近似的高斯分布，如圖2所示。從圖2中可以看到，激光的特性是中心位置能量最大，越向外圍能量越小[4]。因此，必須將激光光斑外圍的能量補償?shù)郊す夤獍咧胁浚辜す獾哪芰糠植季鶆騕5]，如圖3所示。

圖1期望得到的激光能量分布

圖2原始激光的能量分布

圖3能量補償示意圖

圖4激光反射能量補償光路圖

本文利用光的反射原理，設(shè)計了激光光源的能量反射補充光路，如圖4所示。光纖激光器的輸出端安裝在梯形反射圓筒的小端，激光經(jīng)過圓筒時，角度小的直接穿過，角度大的光線照射到圓筒壁后被反射，這些反射光自然補償給了輸出角度小的光束。然而，反射圓筒約束了激光的輸出角度，使得激光的輸出角變小，導(dǎo)致激光可以照射到的范圍變小。為了確保激光的光斑能將樣品區(qū)域完全覆蓋，在反射裝置下方設(shè)置了凹透鏡或者透鏡組，實現(xiàn)了激光光斑有效放大。

2激光束經(jīng)過梯形圓筒后的光學(xué)仿真

激光束通過梯形圓筒反射之后的光路大致可以分為二部分，如圖5所示，一部分是發(fā)射角度小的光束不經(jīng)過反射直接射出到輻照面，另一部分是發(fā)射角度大的光束經(jīng)過梯形圓筒內(nèi)壁的反射后射出，此時射出的光束在目標上會與角度小的光束疊加，使該部分激光輻照的光強增大。

圖5激光束通過梯形反射圓筒內(nèi)部的光路分類

本文使用Matlab（matrix&laboratory，美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件）軟件[6]對激光經(jīng)過梯形圓筒反射后的光路進行了仿真。首先通過漫反射白板來獲得激光的能量分布情況[7]，即在白板面積大于樣品面積的情況下，調(diào)節(jié)位置使激光完全照射到漫反射白板上，并采集完整的激光光斑圖像；在對該圖像進行預(yù)處理后，用高斯函數(shù)進行擬合[8]，便可得到輸出激光的能量分布函數(shù)以及激光的最大輸出角度β。

根據(jù)激光輸出端與待測樣品表面的距離，將梯形圓筒的高度設(shè)為H，頂端直徑設(shè)為d，底端的直徑設(shè)D，通過模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計確定補償?shù)慕嵌取榱颂岣叻抡娴木龋O(shè)置經(jīng)過梯形圓筒中軸線的某一縱切面P上包含N條光線，結(jié)合光源的配光曲線，光線角度分布為從-30度開始，步長為0.005度，一直計算到30度，每條光線都設(shè)置了能量權(quán)值，權(quán)值的大小確定公式為：

式中E：能量權(quán)值，e：常數(shù)，k：系數(shù)，γ：角度變量。

縱切面P與照射面相交得到交線L，N條線必然和交線L相交，把交線L等分成M份，把每個等分線段內(nèi)的光線權(quán)值進行累加，即這一段內(nèi)的能量，如圖6所示。

圖6仿真系統(tǒng)示意圖

利用光的反射原理和解析幾何知識，用Matlab（matrix&laboratory，美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件）語言編寫仿真程序，仿真結(jié)果表明，設(shè)置梯形圓筒大端直徑不同，結(jié)果相差很大，如圖7、圖8所示。圖7為大端直徑太小，補償過度，能量分布不理想；而圖8為大端直徑過大，能量分布同樣不好，近似沒有補償。

為了獲得理想效果，增加一個方差評價指標：

式中S：方差，Ei：能量權(quán)值，Eˉ：能量均值，n：常數(shù)）。

圖7梯形圓筒大端直徑過小

圖8梯形圓筒大端直徑過大

把角度α從小到大分別進行仿真，得到方差最小的能量分布[9]，如圖9所示，獲得了比較理想的能量分布，中間部分的能量集中約90.5%，有效面積內(nèi)的輻照均勻性為91.6%，滿足了光致發(fā)光在光伏缺陷檢測領(lǐng)域的技術(shù)要求。

3總結(jié)

本文研究了梯形反射圓筒校正激光非均勻性的方法，設(shè)計參數(shù)主要包括光線發(fā)射角、光斑范圍、檢測目標位置等。MATLAB（matrix&laboratory，美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件）仿真結(jié)果表明，通過擴束整形裝置改變光斑大小，實現(xiàn)了有效測試面積內(nèi)激光光源的均勻輻照，該方法對激光能量的損耗量約為10%。為了減少激光的能量損失，可在圓筒內(nèi)壁鍍上反射膜以提高反射率。本文提出的方法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，可在太陽電池光致發(fā)光缺陷檢測系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

圖9激光經(jīng)梯形反射圓筒校正前后的能量分布

[1]Shapiro L G,Stockman G C.Computer Vision.Prentice Hall.Upper Saddle R iver,2001.

[2]呂百達.激光光學(xué)[M].成都:四川大學(xué)出版社,1992.

[3]黃騮,張少軍,李延廷.激光光束的空間整形理論基礎(chǔ)及發(fā)展展望.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002,28(2):203-206.

[4]David L.Shealy.John A.Hoffnagle.Laser beam shaping profiles and propagation[J].Appl.Opt., 2006,45(21):5118-5131.

[5]徐秋云,李雅男,翟文超,鄭小兵.激光散斑去除效果定量分析.光電工程,2010,37(5):32-36.

[6]陳愛軍.MATLAB在數(shù)字圖像處理CAI課件制作中的應(yīng)用.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2006,18(2): 973-975.

[7]張合,郭婧,張祥金.半導(dǎo)體脈沖激光光斑整形方法研究.南京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2010,34(5):592-595.

[8]Duda,R.O.,Hart,P.E.,Stork,D.G.Pattern Classification,2nd ed,John W iley&Sons,2001.

[9]Dougherty E R.Random Processes for Image and Signal Processing.IEEE Press,2000.

中交上海航道局有限公司節(jié)能宣傳活動豐富多彩

上海節(jié)能宣傳周期間，上海航道局在領(lǐng)導(dǎo)重視下，開展了多種多樣節(jié)能宣傳活動，廣大職工踴躍參加，取得了較好效果。

一是大力開展節(jié)能宣傳。公司利用企業(yè)內(nèi)部報刊、互聯(lián)網(wǎng)、板報、宣傳欄、張貼標語等多種形式，傳播節(jié)能理念，普及節(jié)能知識，展示公司節(jié)能減排的成績，積極宣傳“節(jié)能中交、低碳中交、綠色中交”理念，展示和塑造負責(zé)任的良好央企形象。

二是創(chuàng)新節(jié)能減排活動，形成全員參與局面。向全體員工發(fā)出“踐行節(jié)能低碳，建設(shè)美麗園”活動倡議書，倡議牢固樹立低碳環(huán)保理念，深化內(nèi)部管理，從源頭抓好節(jié)能減排，增強節(jié)能減排緊迫感、責(zé)任感和資源憂患意識。

三是組織參加上海市節(jié)能減排協(xié)會舉辦的節(jié)能低碳知識競賽。公司共1833人參加，1715人取得滿分好成績，通過參加競賽充實了員工節(jié)能減排專業(yè)知識，為節(jié)能減排工作的推進創(chuàng)造了條件。

四是張貼節(jié)能宣傳畫。在公司辦公區(qū)域、施工現(xiàn)場、船舶的等顯著位置，張貼了500張節(jié)能宣傳畫營造節(jié)能減排的良好氛圍。

五是開展能源短缺體驗和低碳日活動。在6月10日“全國低碳日”，公司號召廣大職工少開一天車，上下班改乘公共交通、騎自行車或步行，公務(wù)出行乘坐公共交通或拼車出行等低碳行動。6月12日開展“能源緊缺體驗日”活動，在不影響工作情況下，辦公區(qū)域空調(diào)、公共區(qū)域照明停開一天，少用或不用電梯。

六是組織開展“我為節(jié)能減排獻計策”評選活動。中港疏浚組織各部門、項目部、船舶為節(jié)能減排獻計獻策，共收集到計策百余條。通過活動為公司節(jié)能減排工作不斷深化打下了基礎(chǔ)。

（上航）

英研究咖啡渣用于制造生物柴油

英國巴斯大學(xué)可持續(xù)化學(xué)技術(shù)中心的最新研究，將廢咖啡渣用于制造生物柴油取得初步成功，且有潛力成為可持續(xù)的第二代生物燃料來源。

該項研究通過一個被稱為“酯基轉(zhuǎn)移”的過程，將咖啡渣浸泡在有機溶劑中，便可提取出生物柴油。研究人員用產(chǎn)自20個不同地區(qū)的咖啡粉（包括含咖啡因和不含咖啡因）制成生物燃料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同來源的咖啡生成的生物燃料相關(guān)物理性能差別不大。研究表明，不同咖啡原料能生產(chǎn)出規(guī)格全面一致的生物柴油。

據(jù)介紹，小咖啡館每天約產(chǎn)生10公斤廢咖啡，可生產(chǎn)約2升的生物燃料。如擴大規(guī)模，咖啡生物柴油將有很大的潛力成為一種可持續(xù)發(fā)展的燃料來源。

（譯：英國BBC）

The Uniform Design o f Laser Source for Photovo ltaic Defect Detection

Liu xiao yu

In order to so lve the p rob lem o f the non-uniform d istribution o f laser energy em itted by the fiber laser,we p resent a way to rea lize the uniform design o f laser system by use o f a trapezoida l re flec ting cylinder and sim u late and ana lyses the laser d istribution curve and the op tica l path o f laser be fo re and a fter the correc tion in order to get pa ram ete rs o f op tim ization.The result shows that the method of correc tion the non-uniform of laser is comp letely feasib le.

photolum inescence,uniform of laser,trapezoida l reflecting cylinder,simu lation o f op tical path

上海市科委科研計劃項目，課題編號：11dz1203100，項目名稱：太陽能光伏板故障診斷技術(shù)研究與示范。

劉小宇，工學(xué)碩士，上海太陽能工程技術(shù)研究中心的研發(fā)工程師，主要負責(zé)新型光伏檢測裝備的研發(fā)，先后負責(zé)了航天八院民用新產(chǎn)品“太陽電池組件碎片紅外檢測技術(shù)”項目和“太陽電池光致發(fā)光缺陷檢測項目”、上海市科委科研計劃項目“太陽能光伏板故障診斷技術(shù)研究與示范”、上海空間電源研究所的“太陽電池陣碎片自動檢測系統(tǒng)”等，在光伏檢測設(shè)備的研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗。