PL技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池片缺陷檢測(cè)

潘揚(yáng)杰　周宇欣　袁彪　張遠(yuǎn)鴻

摘 要：21世紀(jì)以來(lái)，全球光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。太陽(yáng)能作為新型清潔能源被廣泛運(yùn)用，但在光電池的生產(chǎn)過(guò)程中有許多質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，在生產(chǎn)過(guò)程中需要用極短的時(shí)間完成對(duì)產(chǎn)品的連續(xù)檢測(cè)。目前主流檢測(cè)手段有兩種，分別為電致發(fā)光檢測(cè)和光致發(fā)光檢測(cè)，其中，光致發(fā)光檢測(cè)更適合于生產(chǎn)流水線中的快速檢測(cè)，擁有巨大的市場(chǎng)潛力，將在未來(lái)幾年中逐漸成為光電池檢測(cè)的一個(gè)重要手段。文章將全面介紹光致發(fā)光檢測(cè)的背景、原理、研發(fā)現(xiàn)狀以及技術(shù)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光電池;檢測(cè);光致發(fā)光

1 ? ?光電池檢測(cè)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)光伏生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，在全國(guó)各地形成了不少光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，光伏產(chǎn)品的質(zhì)量成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。在光電池的生產(chǎn)過(guò)程中，由于原材料要求嚴(yán)苛、加工工序繁多，容易在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生光電池碎裂、隱裂、電極不良、表面污染等許多質(zhì)量問(wèn)題。這些由于產(chǎn)品原材料和加工過(guò)程中所產(chǎn)生的問(wèn)題嚴(yán)重影響光電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電池的正常使用壽命。若存在質(zhì)量問(wèn)題的光電池流入市場(chǎng)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至造成生產(chǎn)安全事故。作為光電池生產(chǎn)企業(yè)，做好產(chǎn)品質(zhì)量把控，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低客戶使用過(guò)程中的故障率是提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)利力一個(gè)重要手段。光電池采用流水線生產(chǎn)模式，生產(chǎn)連續(xù)、速度極快，因此要求產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中用極短的時(shí)間完成對(duì)產(chǎn)品的連續(xù)檢測(cè)。目前主流檢測(cè)手段有兩種，分別為電致發(fā)光檢測(cè)（Electroluminescent，EL）和光致發(fā)光檢測(cè)（Photoluminescence，PL）。相較于電致發(fā)光檢測(cè)，光致發(fā)光檢測(cè)屬于非接觸式無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)造成二次傷害，得到的檢測(cè)圖像由于沒有探針遮擋干擾，較為純凈，更利于通過(guò)圖像識(shí)別發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，更適合于生產(chǎn)流水線中的快速檢測(cè)，擁有巨大的市場(chǎng)潛力，將在未來(lái)幾年中逐漸成為光電池檢測(cè)的重要手段。

2 ? ?光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 ?國(guó)外研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)外在光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域起步較早，光致發(fā)光技術(shù)最早應(yīng)用于日光燈等發(fā)光電器，通過(guò)燈管內(nèi)氣體放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)管壁上的發(fā)光粉而發(fā)出可見光，因其發(fā)光效率遠(yuǎn)高于一般的電致發(fā)光，在生活中得到了廣泛應(yīng)用。光致發(fā)光技術(shù)作為一種探測(cè)材料電子結(jié)構(gòu)的方法，率先應(yīng)用于材料檢測(cè)，后因其無(wú)接觸、高效率的特點(diǎn)也逐步應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)的檢測(cè)。2005年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)就開展了將光致發(fā)光技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池缺陷檢測(cè)的研究并申請(qǐng)了相關(guān)專利。此后，大量外國(guó)高校涉足光致發(fā)光技術(shù)在電池檢測(cè)方面的研究，不斷優(yōu)化現(xiàn)有的軟件算法并應(yīng)用于產(chǎn)品缺陷的識(shí)別和檢測(cè)。國(guó)外BT Image等公司也相繼開發(fā)出了基于光致發(fā)光技術(shù)的量產(chǎn)化檢測(cè)設(shè)備，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和檢測(cè)。

2.2 ?國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在光致發(fā)光應(yīng)用于檢測(cè)的領(lǐng)域起步較晚，受制于國(guó)外有關(guān)企業(yè)的技術(shù)壟斷和專利保護(hù)，早年間并未取得較大的突破。2005年，武漢大學(xué)開展了光致發(fā)光技術(shù)在材料檢測(cè)上的技術(shù)研究，而近年來(lái)隨著我國(guó)綜合國(guó)力提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐步完善，相關(guān)技術(shù)實(shí)力提升，市場(chǎng)需求也日益增加。國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在光致發(fā)光應(yīng)用于太陽(yáng)能電池檢測(cè)領(lǐng)域有了突破性進(jìn)展。以上海太陽(yáng)能工程技術(shù)研究中心為首的相關(guān)企業(yè)聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校共同研究，陸續(xù)開發(fā)了一系列國(guó)產(chǎn)PL檢測(cè)設(shè)備并向市場(chǎng)推廣。一部分國(guó)內(nèi)電池生產(chǎn)企業(yè)將國(guó)產(chǎn)PL檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)之中，標(biāo)志著我國(guó)相關(guān)企業(yè)在太陽(yáng)能電池檢測(cè)方面開始了對(duì)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的學(xué)習(xí)和追趕。未來(lái)我國(guó)企業(yè)將努力進(jìn)一步縮小與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備技術(shù)的差距，搶占更多的市場(chǎng)份額。

3 ? ?太陽(yáng)能電池產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)原理概述

3.1 ?硬件原理概述

通過(guò)光致發(fā)光技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能電池的缺陷檢測(cè)是一種非接觸式光學(xué)影像檢測(cè)手段，屬于透視的二維化平面檢測(cè)。檢測(cè)的硬件環(huán)節(jié)主要過(guò)程包括：激光照射、電子激發(fā)、圖像采集。在檢測(cè)時(shí)，由紅外高功率單色激光發(fā)射器發(fā)射紅外激光，通過(guò)透鏡后照射在被測(cè)電池板表面，由于激光攜帶的部分能量被太陽(yáng)能電池中的硅晶體吸收，造成硅片中部分原子的外圍電子發(fā)生能級(jí)躍遷，其電子軌道由較低能級(jí)躍遷至較高能級(jí)，由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。此時(shí)的電子處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，難以在長(zhǎng)時(shí)間處于激發(fā)態(tài)，將自發(fā)躍遷回到最低能級(jí)的基態(tài)。在這一過(guò)程中將釋放其在受激發(fā)過(guò)程中吸收的能量，其釋放的能量將主要以光子形式向外輻射。由于太陽(yáng)能電池存在缺陷處參雜濃度和晶體排列與正常區(qū)域存在較大差別，因此，在均勻激光輻照激發(fā)時(shí)，所激發(fā)出的光子能量也與正常情況存在20%左右的差距。通過(guò)專業(yè)的工業(yè)紅外相機(jī)采集太陽(yáng)能電池的激發(fā)圖像，通過(guò)該圖像即可清晰分辨出該電池存在的缺陷。在正常情況下，太陽(yáng)能電池的激發(fā)亮度與該處的少子密度成正比，若圖像中出現(xiàn)明顯亮斑，則表示該處少子密度較大，電池片內(nèi)復(fù)合較少，反之若圖像上出現(xiàn)部分點(diǎn)線面的陰影區(qū)域，則表示該處為少子的強(qiáng)復(fù)合點(diǎn)，是缺陷存在的明顯特征。通過(guò)光致發(fā)光檢測(cè)的硬件平臺(tái)可以較為準(zhǔn)確和快速地判斷和分析出該被測(cè)太陽(yáng)能電池塊所存在的缺陷及缺陷的種類和位置，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中將為企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)提供可靠的硬件基礎(chǔ)。

3.2 ?軟件原理概述

圖像處理的軟件平臺(tái)有很多，如Cascade R-CNN，Halcon，F(xiàn)aster R-CNN等。在進(jìn)行圖像處理前，先利用光致發(fā)光原理制成的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行掃描，初步得到缺陷圖像。再進(jìn)行圖像預(yù)處理，其目的是消除噪聲、光線以及電池片表面物理結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷檢測(cè)的影響。具體處理步驟有圖像濾波、圖像加強(qiáng)、和圖像分割等，處理后可得到原圖像中的電池片區(qū)域。然后利用算法進(jìn)行圖像處理，可以選擇利用軟件平臺(tái)自帶的算子處理，若針對(duì)特定缺陷沒有合適的算子，可自主設(shè)計(jì)算法。常見的圖像處理算法有圖像隱裂、圖像劃傷、塊狀缺陷等。最后進(jìn)行缺陷特征提取，常見的有幾何特征、灰度特征、紋理特征等，檢測(cè)原理示意如圖1所示。

4 ? ?PL技術(shù)應(yīng)用及前景

4.1 ?PL技術(shù)應(yīng)用

在以往的太陽(yáng)能電池片缺陷檢測(cè)中，EL檢測(cè)是主要的技術(shù)手段，在光伏產(chǎn)業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，能對(duì)電池片的諸多缺陷如隱裂、斷線、斷柵、履帶印等進(jìn)行有效的檢測(cè)。PL技術(shù)作為近年來(lái)新開發(fā)的檢測(cè)技術(shù)，不僅能對(duì)電池片的大多數(shù)缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)，還能檢測(cè)出EL技術(shù)難以檢測(cè)的缺陷，如結(jié)晶缺陷和金屬污染。即使在同一種缺陷下，PL技術(shù)的檢測(cè)力度也較強(qiáng)。另外，在PL技術(shù)集成檢測(cè)設(shè)備中，軟件的數(shù)據(jù)分析功能強(qiáng)，如灰度拉伸、彩色處理、缺陷分布統(tǒng)計(jì)、缺陷面積統(tǒng)計(jì)等。

4.2 ?范圍

在進(jìn)行硅片加工前，通過(guò)初步篩選剔除一些有物理缺陷的硅片。普通的檢測(cè)技術(shù)只能對(duì)硅片表面進(jìn)行初步檢測(cè)，剔除一些有明顯缺陷的硅片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常無(wú)法有效檢測(cè)。PL技術(shù)全方位、無(wú)死角的特性可以有效解決這一問(wèn)題，從而在一定程度上降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。在電池片的生產(chǎn)過(guò)程中，光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)不僅能夠檢測(cè)太陽(yáng)能電池片成品的各種缺陷，在控制電池片生產(chǎn)加工質(zhì)量中同樣能有效應(yīng)用。一般電池片的加工過(guò)程分為硅片檢測(cè)、表面制絨及酸洗、擴(kuò)散制結(jié)、去磷硅玻璃、等離子刻蝕及酸洗、鍍減反射膜、絲網(wǎng)印刷、快速燒結(jié)等，其中少子壽命是反映電池片質(zhì)量的重要參數(shù)。PL檢測(cè)技術(shù)可以定量分析加工過(guò)程中各因素對(duì)少子壽命的影響，通過(guò)大量的檢測(cè)分析，建立缺陷量化的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，可以利用檢測(cè)設(shè)備生成硅片少子壽命圖、IV曲線、串聯(lián)電阻圖、電池電流電壓輸出圖、電池效率圖、多晶單晶硅片詳細(xì)缺陷分析圖等。PL技術(shù)在硅片加工前、加工過(guò)程當(dāng)中以及硅片成品的檢測(cè)中，都起著主要的作用，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池片檢測(cè)全覆蓋。此外不僅在硅片檢測(cè)上，硅錠、電池半成品、電池成品、小型組件上也能有效應(yīng)用。

4.3 ?前景

相比發(fā)展較為成熟的EL技術(shù)，PL技術(shù)仍在快速發(fā)展中。它的一些特性如檢測(cè)速度快、性價(jià)比高、檢測(cè)缺陷種類多、適用范圍廣將決定其將來(lái)在光伏產(chǎn)業(yè)中的地位。除此之外，在原材料控制質(zhì)量、工藝過(guò)程控制提升以及缺陷定量檢測(cè)方面的應(yīng)用將帶來(lái)一場(chǎng)創(chuàng)新性工業(yè)改革。目前，國(guó)內(nèi)PL檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)搶占了一定的市場(chǎng)份額，同時(shí)，已有一部分企業(yè)率先將新型設(shè)備應(yīng)用于光電池生產(chǎn)過(guò)程。得益于該技術(shù)，2019年我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量增長(zhǎng)26.8%，技術(shù)成熟之后，這一數(shù)據(jù)將會(huì)進(jìn)一步增大，我國(guó)新型能源的開發(fā)與應(yīng)用也將上一個(gè)臺(tái)階。

5 ? ?結(jié)語(yǔ)

PL技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型太陽(yáng)能電池片無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，大幅度提高了太陽(yáng)能電池片的生產(chǎn)效率。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)仍有提升的空間，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)相繼占有了一部分市場(chǎng)份額。從其技術(shù)原理和應(yīng)用范圍來(lái)看，電池片的原材料質(zhì)量、加工過(guò)程工藝質(zhì)量控制、成品的比例都有了提升。這些特性也將給我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)廣泛的發(fā)展前景，促進(jìn)新型能源的飛速發(fā)展。

基金項(xiàng)目：江蘇大學(xué)2019年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910299512X）

作者簡(jiǎn)介：潘揚(yáng)杰（1999— ），男，江西撫州人，本科生;研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器。