CN103323434A - 用led激发的太阳能电池光致发光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅片、太阳能电池光致发光检测装置，尤其是一种利用多个LED光源模组(5)实现均匀激发辐射的光致发光检测装置。装置由CCD摄像头(3)、长波通滤光片(4)、数据采集计算机(1)、采集卡(2)、光源模组(5)、驱动电源(6)组成。光源模组(5)所用发光光源为单色大功率发光二极管LED，光源模组相对于被测太阳能电池片(7)中心的法线对称安装在太阳能电池(7)的斜上方，在对称方位安装的光源模组(5)的照射光在太阳能电池(7)表面上相互叠加形成均匀照射激发辐射。光源模组用LED的波长可根据需要自主选择。本发明主要解决已公开方案中用激光作为激发光源所产生的结构复杂、照射均匀性差、维护成本高等问题，具有维护方便、激发波长可选和辐照度水平可自由调节等优点。

Description

用LED激发的太阳能电池光致发光检测装置

技术领域

本发明涉及一种硅片、太阳能电池光致发光检测装置，尤其是一种利用多个LED光源模组实现均匀激发辐射的硅片、太阳能电池光致发光检测装置。

背景技术

近年来，太阳能电池产业在我国取得飞速发展。在太阳能电池的生产过程中，如何在每个环节快速检测其质量是一个重要问题。光致发光检测法是利用光照射光伏电池材料，将材料中的电子激发到高能级，高能级电子向低能级跃迁时发出光子，产生光致发光。通过观察材料的光致发光可获得材料的少数载流子扩散长度，表面电阻分布，晶体的内部缺陷等多种信息。由于只需光照、无需通电电极，该方法可用于从硅片切割开始，生产太阳能电池的各个工艺阶段，是太阳能电池生产过程中进行质量控制的有力工具。中国发明专利申请200910046715.X《太阳能电池板裂纹检测仪》公开了一种利用激光扫描光源产生的太阳能电池光致发光检测太阳能电池板裂纹的仪器；中国发明专利申请201180012441.8《用于光伏电池和晶片的光致发光成像的照射系统和方法》公开了一种利用在被测太阳能电池表面产生大于6个标准太阳辐照度所产生的光致发光法来表征太阳能电池特性的方法。目前，太阳能电池光致发光检测装置中所用的光源一般为波长808nm左右的激光光源。激光光源具有亮度高、方向性好的优点。但对于太阳能电池检测来说，激光方向性好的优点反而是缺点。因为，光致发光检测需要将整个太阳能电池的表面均匀照亮，方向性良好的激光在扩束前只能照亮一个点或一条线。即使扩束后，由于激光为高斯光束，其强度随偏离光束中心角度的增加以高斯函数的规律下降。为了均匀照亮太阳能电池表面，需要复杂的光学装置。此外，由于激光的能量非常高，在激光器使用过程中对散热、防尘等都有很高的要求。尽管中国发明专利申请201010510730.8《太阳能电池缺陷检测方法》要求用激光控制器将激光束波长在0-900nm波长内调整，但现有技术尚无法实际实现，因为激光波长是由其工作介质本身的特性所决定的，通过控制器调节的波长范围有限。

综上所述，在实际应用中迫切需要一种新的照明装置改进现有光致发光装置的激发照射系统。产生同样的辐射功率，大功率发光二极管(LED)的成本只有激光器的十分之一，LED的驱动电源以及将LED发光变换为均匀光照的匀光系统也比激光器的对应系统简单。本发明利用价格低廉、使用方便、结构简单、不需要复杂散热装置的LED取代已公开方案中的激光器激发光源，能够将照明装置的成本降低80％，更便于生产线上的使用维护。

发明内容

利用光致发光检测太阳能电池特性的基本原理是在太阳能电池或硅片表面照射光子能量大于太阳能电池带隙能的光辐射，将半导体材料的原子从基态激发到激发态。通过检测原子从激发态向基态跃迁所产生的红外辐射来检查硅片及太阳能电池的各种特性。一般情况下，相同激发光强所产生的光致发光越强，表示太阳能电池的相关性能越好。现在常用的太阳能电池片边长为12-15cm。为了检测整个硅片上光伏特性的一致性，首先需要在硅片表面上产生辐照度均匀的激发光照。本发明旨在提供一种结构简单、价格低廉、便于维护、使用方便、能够产生均匀强光照、激发波长可变的光致发光检测装置。

该发明的检测装置由摄像头(3)、滤光片(4)、数据采集计算机(1)、采集卡(2)、光源模组(5)、驱动电源(6)组成。光致发光用的激发光源至少有两个光源模组(5)。光源模组(5)的总个数为偶数、成对配置，由驱动电源(6)驱动。光源模组(5)相对于被测太阳能电池片(7)中心位置处的法线对称安装在太阳能电池(7)的斜上方，各对光源模组(5)的照射光在太阳能电池(7)表面上相互相叠加形成均匀照明。各光源模组(5)在太阳能电池(7)表面所产生的辐照度之和小于标准太阳辐照度的6倍。检测装置对激发光源的基本要求是：在整个太阳能电池表面产生均匀辐射照度，波长小于其光致发光波长。对于硅太阳能电池激发波长应小于800nn。有较大的辐射照度调节范围。

为了获得太阳能电池表面上的电压分布、串联电阻分布，有时需要拍摄同一片太阳能电池在不同激发光照射水平，比如0.5个标准太阳和1个标准太阳辐照度下的光致发光图像。本发明通过在0-10A范围内改变驱动电源(6)的输出电流幅度改变激发光照射水平。

光源模组(5)所用发光源为大功率单色发光二极管LED(11)，LED前配备有将LED发光整形为方形均匀照明的光学透镜(10)。光学透镜(10)为折、反射透镜，从LED(11)发出，靠近LED光轴的部分光线经LED透镜(10)的折射曲面(13)和折射曲面(15)两次折射后投射到太阳能电池(7)的表面上；而远离LED光轴的光线经LED透镜(10)的折射曲面(13)折射、全内反射面(14)全反射、折射曲面(15)折射后投射到太阳能电池(7)表面上。具有相同主波长的光源模组(5)的光轴与被测太阳能电池(7)法线成相同夹角θ，以便多个光源模组(5)所发射的光相互叠加在被测电池表面形成均匀照明。所有光源模组(5)的光轴与被测太阳能电池(7)法线的夹角均大于5度，这样光源模组不会对CCD摄像头的拍摄光路形成遮挡，使CCD摄像头能够不受阻挡地从正面拍摄到太阳能电池的光致发光图像。

太阳能电池光致发光的衰减时间与激发波长有关，通过检测光致发光的衰减时间可以获得与材料特性有关的信息。由于采用了多模组照射方式，本发明可配置多种不同波长的LED模组，用户可根据自己的检测需求，随时改变激发光源的波长。不同波长的光源模组(5)成对安装在相对于CCD摄像头(3)的不同方位或其光轴与被测太阳能电池(7)的法线呈不同夹角θ。比如，两个红色光源模组(5)配置在摄像头左右两边，而另外两个橙色光源模组配置在摄像头的前后，或者红色和橙色光源模组均配置在摄像头前后，光轴分别与被测电池法线呈10度和15度角。

为减少检测装置的功耗和LED器件的发热，本发明的LED驱动电源具有脉冲驱动功能，脉冲宽度在0-10s范围内可调。驱动电源(6)仅在CCD摄像头快门打开期间将给LED提供所设定的电流值，其它时间不发光或只维持较弱发光，用于CCD摄像头的对准。光源模组(5)的发光持续时间及和CCD摄像头之间的时间同步是由计算机通过数据采集卡来控制完成的。驱动电源(6)设有触发信号输入端，用于接收由计算机(1)、控制采集卡(2)发出的触发信号。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明的装置示意图

图2为具有多波长LED光源模组的检测装置俯视图。5-1和5-3或5-1和5-5可为不同波长的LED光源模组。

图3为单个LED模组的结构示意图

图4为单个LED透镜结构示意图

图5为能够产生均匀照明的LED透镜的实际形状

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，用以说明本发明的结构特征和功能点，但本发明的具体实施方案并不仅限于该实施例。

图1为本发明LED照明的太阳能电池光致发光检测装置示意图。光致发光图像获取是由CCD摄影头(3)采集的，CCD可以是硅材料CCD或InGaAs CCD。硅CCD价格低廉、空间分辨率高，但在红外波段的灵敏度较低。由于太阳能电池的光致发光波长在红外，而硅CCD器件对峰值为1050nm的光致发光不敏感，而对于激发光却非常敏感。光致发发光的强度仅有激发光强度的万分之一、甚至更低。长波通滤光片(4)用于滤掉波长较短的激发光，仅允许波长较长的太阳能电池光致发光成像到CCD光敏面上，CCD信号通过图像卡(2)读入计算机进行后续处理。本实施方案的CCD摄像头选用德国PCO公司生产的、带制冷功能的Sensicam。摄像头的镜头前安装有长波通滤光片(4)，用以遮挡掉波长较短的激发光，比如波长为650nm左右的红光，而只允许太阳能电池受光照后产生的光致发光通过滤光片进入摄像机。由于太阳能电池的光致发光比激发光弱很多，滤光片的光学截止密度要达到6-8，即在截至波长范围内，滤光片的透光率要低于通带的1/10^6-8。太阳能电池的光致发光波长范围在900-1100及1250-1500nm范围内，故长波通滤光片的截止波长应该在750-850nm范围内。本实施例选用了美国Thorlabs公司的FGL850长波通滤光片。数据采集卡(2)的采集速度应该满足图像采集的要求。

光源模组(5)用大功率发光二极管LED和折、反射匀光透镜(10)匀光，多个光源模组相互叠加在太阳能电池表面实现均匀照射。LED器件选用的是美国Cree公司的X-lamp大功率LED。一般LED器件的发光角度都大于120度，在光轴方向的发光强度最大，在其它方向的发光强度随该方向与光轴夹角的余弦规律降低。为了在太阳能电池表面获得均匀照度分布，采用了折射和全内反射+折射相结合的LED匀光透镜结构，可以将LED的出射光在一个方形面积上产生均匀照明，均匀照亮太阳能电池表面。利用折-全反射透镜可以非常高效率地利用LED所发射的光，减少检测过程中激发光源的耗电。为了不遮挡CCD镜头，激发光必须从太阳能电池的斜上方照射，这会引起太阳能电池表面上的光照不均匀，为了克服该问题，本发明所采采用的是成对，对称照明的方法，即相同模组从CCD摄像头的前后、左右两个方向或前后左右四个方向对称照射在太阳能电池面上。

图2为具有多波长LED光源模组的检测装置俯视图。图中5-1至5-4为峰值波长630nm的LED光源模组，而5-5至5-8为峰值波长为570nm的LED光源模组。不同波长的光源模组可分别使用，也可同时使用，即将不同波长的LED光相互叠加在一起获得高辐照度照射。为了在边长15cm的电池表面获得1个标准太阳辐射照度，配置了16个3W的大功率LED模组。

图3是LED光源模组(5)的结构示意图。LED模组由LED发光器件(11)，光束整形透镜(10)，透镜筒(9)，铝芯PCB板(12)，压圈(8)组成。

图4为LED透镜的结构示意图。LED透镜由光学高分子聚合物材料注塑而成，可为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)或其它具有类似性能的光学材料。透镜通过两种方式对LED器件所发出的不同角度的光进行整形。靠近光轴中心的光通过两个折射面曲面13和曲面15实现整形，如图中的光线17；而与光轴夹角超过约45度的光线则经曲面13，全内反射面14和曲面15实现对光束的整形，如图中的光线18。曲面13和曲面15的表面形状为对称曲面。光线经透镜整形后在被照射面上形成近似正方形的均匀照明。

图5为本实施方案中LED匀光透镜的实际形状。经过该透镜匀光后，两个光源模组相叠加，即可在被测太阳能电池表面获得优于5％的均匀度。

Claims (6)

1.一种由摄像头(3)、滤光片(4)、数据采集计算机(1)、采集卡(2)组成的硅片、太阳能电池光致发光检测装置，其特征在于：光致发光所用的激发光源至少有两个光源模组(5)，光源模组(5)的总个数为偶数、成对配置，由驱动电源(6)驱动；相对于被测太阳能电池片中心位置处的法线对称安装在太阳能电池(7)的斜上方，各对光源模组(5)的照射光在太阳能电池(7)表面上相互相叠加形成均匀照明；各光源模组(5)在太阳能电池(7)表面所产生的辐照度之和小于标准太阳辐照度的6倍。 

2.根据权利要求1所述的光源模组(5)，其特征在于：所用发光源为大功率单色发光二极管LED(11)，LED前配备有将LED发光整形为方形均匀照明的光学透镜(10)。 

3.根据权利要求2所述的光源模组(5)，其特征在于：所述光学透镜(10)为折、反射透镜；从LED(11)发出，靠近LED光轴的部分光线经LED透镜(10)的折射曲面(13)和折射曲面(15)两次折射后投射到太阳能电池(7)的表面上，而远离LED光轴的光线经LED透镜(10)的折射曲面(13)折射、全内反射面(14)全反射、折射曲面(15)折射后投射到太阳能电池(7)表面上。 

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：具有相同主波长的光源模组(5)的光轴与被测太阳能电池(7)法线成相同夹角θ；所有光源模组(5)的光轴与被测太阳能电池(7)法线的夹角均大于5度。 

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：光源模组(5)可以为不同波长，不同波长的光源模组(5)成对安装在相对于CCD摄像头(3)的不同方位或其光轴与被测太阳能电池(7)的法线呈不同夹角θ。 

6.根据权利要求1所述的驱动电源(6)，其特征输出为脉冲恒流信号，脉冲的幅度与脉冲宽度分别在0-10A与1ms-10s范围内可调；设有脉冲触发信号输入端，触发信号由计算机(1)控制采集卡(2)发出。 

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