PL技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池片缺陷檢測

潘揚(yáng)杰　周宇欣　袁彪　張遠(yuǎn)鴻

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

1 ? ?光電池檢測

近年來，國內(nèi)光伏生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，在全國各地形成了不少光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地。在激烈的市場競爭中，光伏產(chǎn)品的質(zhì)量成為企業(yè)競爭過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。在光電池的生產(chǎn)過程中，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)量問題。這些由于產(chǎn)品原材料和加工過程中所產(chǎn)生的問題嚴(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)量問題的光電池流入市場應(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，降低客戶使用過程中的故障率是提高產(chǎn)品市場競爭利力一個(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)量檢測在生產(chǎn)過程中用極短的時(shí)間完成對(duì)產(chǎn)品的連續(xù)檢測。目前主流檢測手段有兩種，分別為電致發(fā)光檢測（Electroluminescent，EL）和光致發(fā)光檢測（Photoluminescence，PL）。相較于電致發(fā)光檢測，光致發(fā)光檢測屬于非接觸式無損檢測，檢測過程中不會(huì)造成二次傷害，得到的檢測圖像由于沒有探針遮擋干擾，較為純凈，更利于通過圖像識(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，擁有巨大的市場潛力，將在未來幾年中逐漸成為光電池檢測的重要手段。

2 ? ?光致發(fā)光檢測技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 ?國外研發(fā)現(xiàn)狀

國外在光致發(fā)光檢測技術(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)作為一種探測材料電子結(jié)構(gòu)的方法，率先應(yīng)用于材料檢測，后因其無接觸、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。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)用于太陽能電池缺陷檢測的研究并申請(qǐng)了相關(guān)專利。此后，大量外國高校涉足光致發(fā)光技術(shù)在電池檢測方面的研究，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。國外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)化檢測設(shè)備，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和檢測。

2.2 ?國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)在光致發(fā)光應(yīng)用于檢測的領(lǐng)域起步較晚，受制于國外有關(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)在材料檢測上的技術(shù)研究，而近年來隨著我國綜合國力提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐步完善，相關(guān)技術(shù)實(shí)力提升，市場需求也日益增加。國內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在光致發(fā)光應(yīng)用于太陽能電池檢測領(lǐng)域有了突破性進(jìn)展。以上海太陽能工程技術(shù)研究中心為首的相關(guān)企業(yè)聯(lián)合國內(nèi)高校共同研究，陸續(xù)開發(fā)了一系列國產(chǎn)PL檢測設(shè)備并向市場推廣。一部分國內(nèi)電池生產(chǎn)企業(yè)將國產(chǎn)PL檢測設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)之中，標(biāo)志著我國相關(guān)企業(yè)在太陽能電池檢測方面開始了對(duì)外國先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的學(xué)習(xí)和追趕。未來我國企業(yè)將努力進(jìn)一步縮小與國外先進(jìn)設(shè)備技術(shù)的差距，搶占更多的市場份額。

3 ? ?太陽能電池產(chǎn)品的缺陷檢測原理概述

3.1 ?硬件原理概述

通過光致發(fā)光技術(shù)進(jìn)行太陽能電池的缺陷檢測是一種非接觸式光學(xué)影像檢測手段，屬于透視的二維化平面檢測。檢測的硬件環(huán)節(jié)主要過程包括：激光照射、電子激發(fā)、圖像采集。在檢測時(shí)，由紅外高功率單色激光發(fā)射器發(fā)射紅外激光，通過透鏡后照射在被測電池板表面，由于激光攜帶的部分能量被太陽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)。在這一過程中將釋放其在受激發(fā)過程中吸收的能量，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。通過專業(yè)的工業(yè)紅外相機(jī)采集太陽能電池的激發(fā)圖像，通過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。通過光致發(fā)光檢測的硬件平臺(tái)可以較為準(zhǔn)確和快速地判斷和分析出該被測太陽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)太陽能電池產(chǎn)品的缺陷檢測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

在以往的太陽能電池片缺陷檢測中，EL檢測是主要的技術(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。PL技術(shù)作為近年來新開發(fā)的檢測技術(shù)，不僅能對(duì)電池片的大多數(shù)缺陷進(jìn)行有效的檢測，還能檢測出EL技術(shù)難以檢測的缺陷，如結(jié)晶缺陷和金屬污染。即使在同一種缺陷下，PL技術(shù)的檢測力度也較強(qiáng)。另外，在PL技術(shù)集成檢測設(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，通過初步篩選剔除一些有物理缺陷的硅片。普通的檢測技術(shù)只能對(duì)硅片表面進(jìn)行初步檢測，剔除一些有明顯缺陷的硅片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常無法有效檢測。PL技術(shù)全方位、無死角的特性可以有效解決這一問題，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)過程中，光致發(fā)光檢測技術(shù)不僅能夠檢測太陽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程分為硅片檢測、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檢測技術(shù)可以定量分析加工過程中各因素對(duì)少子壽命的影響，通過大量的檢測分析，建立缺陷量化的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，可以利用檢測設(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、加工過程當(dāng)中以及硅片成品的檢測中，都起著主要的作用，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池片檢測全覆蓋。此外不僅在硅片檢測上，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速度快、性價(jià)比高、檢測缺陷種類多、適用范圍廣將決定其將來在光伏產(chǎn)業(yè)中的地位。除此之外，在原材料控制質(zhì)量、工藝過程控制提升以及缺陷定量檢測方面的應(yīng)用將帶來一場創(chuàng)新性工業(yè)改革。目前，國內(nèi)PL檢測設(shè)備已經(jīng)搶占了一定的市場份額，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)過程。得益于該技術(shù)，2019年我國太陽能電池產(chǎn)量增長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

PL技術(shù)作為近年來發(fā)展起來的新型太陽能電池片無損檢測技術(shù)，大幅度提高了太陽能電池片的生產(chǎn)效率。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，該項(xiàng)技術(shù)仍有提升的空間，國內(nèi)外已經(jīng)相繼占有了一部分市場份額。從其技術(shù)原理和應(yīng)用范圍來看，電池片的原材料質(zhì)量、加工過程工藝質(zhì)量控制、成品的比例都有了提升。這些特性也將給我國光伏產(chǎn)業(yè)帶來廣泛的發(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）

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