CN103592311B - 用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置及探测方法。该红外探测装置包括：红外光源，用于发出红外线；旋转台，用于放置待测硅块；接收器，与显示系统连接，用于接收红外线并将红外信息传输给显示系统；还包括设置在所述红外光源与硅块之间的限光片，限光片由透光区和遮光区组成，透光区和遮光区间隔设置。通过在红外光源与硅块之间设置由透光区和遮光区间隔形成的限光片，将光源分割成数个面积小于缺陷区域的小光源，解决了在缺陷后方光线汇集导致无法准确地显示出硅块内部全部缺陷的问题，达到了准确探测的目的。将该红外探测装置用于硅块内部缺陷的全方位探测，提高了硅块缺陷检测的准确度，保障了后续切片工艺的顺利进行。

Description

用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造技术领域，具体而言，涉及一种用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置及探测方法。

背景技术

目前光伏行业发展迅速，多晶硅因其成本低、电池转换效率高而成为目前光伏市场上的主流产品。在对多晶硅锭切割硅片前，首先将多晶硅锭沿竖直方向破方处理，去掉多晶硅锭的四周边部下脚料，这样就将多晶硅锭切割成小硅块，小硅块的尺寸为156mm×156mm×锭高，如图1和图2所示，图1为多晶硅锭切割成小硅块的俯视图，图2为多晶硅锭切割成小硅块的剖视图。

由于多晶硅锭表面的杂质层含有大量碳化硅和金属元素，使得杂质层硬度大，缺陷多，无可切片价值，因此要将可利用的硅块切割成能制作电池的硅片，首先需要去除多晶硅锭顶部的杂质层。除了去除多晶硅锭顶部杂质层外，切割后的硅块其内部也可能存在裂纹、硬点杂质（碳化硅）、晶体缺陷等不能制作电池的区域，如果盲目对硅块进行切割可能会造成硅材料的浪费，因此，将硅块切割硅片前要首先对硅块进行质量检测，确定杂质或缺陷等不能制作电池的区域。

为了准确地探测杂质或缺陷的位置，通常是在对硅块清洗处理后且线切割前进行红外探测检测，选择线切割前进行红外探测检测不仅可以减少切割时的线痕片，而且可以减少SiC断线，由于对硅片切割过程中因杂质点导致的断线修复是个费时费力的工作，而且并非所有断线都能够修复成功，因此红外探测检测是多晶硅片生产中不可或缺的一道工序，目前行业中主要采用红外探测仪对多晶硅片生产中的硅块、硅棒以及硅片的裂缝、杂质、黑点、阴影以及微晶等缺陷探测。

红外探测的原理如下：红外探测仪使用特定红外光源和红外探测器，红外光源发射的红外线能够穿透200mm深度的硅块，纯硅料几乎不吸收这个波段的波长，但是如果硅块里面有微粒、夹杂(通常为SiC)、隐裂灯，这些杂质或缺陷会吸收红外光，因此在成像系统中将呈现出来，而且这些图像可以通过软件自动生成二维图像。

如图3所示，目前所采用的红外探测装置主要由红外光源10’、用于放置待测硅块20’的旋转台以及接收成像系统构成，其中接收成像系统包括接收器30’、光电信号处理系统、图像处理系统以及显示器。旋转台用于盛放待检测硅块20’，由单轴伺服电机驱动，同时拥有光电编码器的位置检查的功能。测试时，红外光源10’可上下运动以测试整个硅块20’中所存在的杂质缺陷，当扫描完硅块20’的一个侧面后，旋转台旋转从而带动硅块20’旋转，测试另一个侧面，直至测试完剖切面的四个侧面为止，测试结果如图4和图5所示。图4和图5为两个 不同硅块的红外探测图，其中暗点、暗区区域为硅块20’内部存在缺陷的区域。如果硅块2’内部存在杂质缺陷区域，通过红外探测后，接收器30’接受到红外线后，将图像显示到显示系统的电脑屏幕上，测试人员可根据硅块20’的扫描情况对硅块20’的质量做出判断，保留可切片部分，去除不可切片部位。

从图4可以看出，同样一块硅块20’四面扫描后显示出来的缺陷分布区域并不相同，一般情况下，红外光源的面积比硅块20’内的缺陷面积要大，这样红外光源边缘光线可沿缺陷面积外边缘倾斜入射到缺陷后面，边缘光线可直接被感光元件所接收，感光元件接收到边缘光线后，则直接在显示器上显示出图像，就无法有效地显示出来暗斑，导致无法检测到缺陷。如图6所示，只有在靠近接收器30’一侧的硅块20’侧面附近的缺陷区域50’才能被接收器30’所接收，从而在电脑屏幕上显示出来。而其余的缺陷区域50’由于红外光源的面积比硅块20’内的缺陷面积要大以及红外光线的漫折射又成为可透光区域，如图7所示，在接收器30’上还是会接收到此区域的折射光线，因此在电脑屏幕上显现出来的扫描结果图就显示不到缺陷区域50’。

因此，对于在硅块侧面表面附近的缺陷，红外探测结果扫描图完全可以体现硅块内部缺陷的分布情况，而位于硅块水平切面中心附近的小体积晶体缺陷、硬点杂质、裂纹却不能完全在红外探测扫描图中显现清楚，因此此种红外探测装置和探测法无法对硅块水平切面中心附近的缺陷和硬质杂质、裂纹等缺陷进行有效探测，如果硅块水平切面中心附近出现缺陷区域，同样会对后续生产产生很大的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置及方法，采用该红外探测装置可以准确有效地扫描探测到硅块内部的缺陷区域，水平切面中心附近的小体积晶体缺陷、硬质杂质及裂纹等缺陷。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于探测硅块内部缺陷区域的红外探测装置，包括：红外光源，用于发出红外线；旋转台，用于放置待测硅块；接收器，显示系统连接，用于接收红外线并将红外信息传输给显示系统；还包括设置在所述红外光源与硅块之间的限光片，限光片由透光区和遮光区组成，透光区和遮光区间隔设置。

进一步地，透光区和遮光区为尺寸相同的方格结构或长方形结构。

进一步地，当透光区和遮光区为尺寸相同的方格结构时，方格结构的面积为S，0.5cm²≤S≤9cm²。

进一步地，方格结构的面积为S，0.5cm²≤S≤4cm²。

进一步地，方格结构的面积S为1cm²。

进一步地，硅块与限光片之间的距离为L，0≤L≤50mm，进一步优选地，0≤L≤20mm，最优选地，L为0mm。

进一步地，限光片的面积大于等于硅块的侧面面积；限光片的厚度为0.5mm～10mm，进 一步优选地，限光片的厚度为3～7mm，最优选地，限光片的厚度为5mm。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述任一种红外探测装置探测硅块内部缺陷区域的方法，包括以下步骤：S1、在红外光源与硅块之间设置限光片；S2、控制红外光源发出红外光线探测，控制接收器收集红外光线并将红外信息传输给显示系统；S3、控制限光片相对所述硅块移动，使得透光区至少部分覆盖移动前遮光区所覆盖的区域，重复步骤S2，步骤S3执行1次或多次；以及S4、根据显示系统的扫描图像判断硅块中的缺陷区域。

进一步地，步骤S3中控制限光片相对于硅块水平或竖直移动。

进一步地，当透光区和遮光区为方格结构时，步骤S3中控制限光片相对硅块水平或竖直移动一个方格的距离。

应用本发明的技术方案，通过对现有的红外探测装置进行改进，在红外光源与硅块之间设置由透光区和遮光区间隔组成的限光片，该限光片将光源分割成数个面积小于缺陷区域的小光源，解决了在缺陷后方光线汇集导致无法准确地显示出硅块内部全部缺陷的问题，从而达到准确探测缺陷的目的。采用本发明所提供的具有限光片的装置用于多晶硅锭破锭后硅块内部缺陷的探测，从而保证了对硅块全方位探测，提高了硅块内部缺陷检测的质量，保障了后续切片工艺的进行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为切割成小硅块后的多晶硅锭的俯视图；

图2为切割成小硅块后的多晶硅锭的剖视图；

图3为现有技术中所采用的红外探测装置的结构示意图；

图4为具有缺陷区域的硅块的四个侧面的红外探测扫描图；

图5为另一个具有缺陷的硅块的四个侧面的红外探测扫描图；

图6为现有技术中当缺陷区域位于硅块上靠近接收器一侧红外探测时的状态示意图；

图7为现有技术中当缺陷区域位于硅块上靠近红外光源一侧红外探测时的状态示意图；

图8根据本发明一种典型实施例的方格结构的限光片的结构示意图；以及

图9采用本发明的红外探测装置探测时的状态示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了解决现有技术中的红外探测装置无法扫描探测硅块水平切面中心附近的小体积晶体缺陷、硬质杂质及裂纹等缺陷的问题，本发明提供了一种用于探测硅块内部缺陷区域的红外探测装置。如图9所示，该用于探测硅块内部缺陷的红外探测装置包括红外光源10、旋转台、接收器30，其中红外光源10用于发射红外线，旋转台用于放置待测硅块20，接收器30与显示系统连接，用于接收红外线并将红外信息传输给显示系统，该红外探测装置还包括设置在红外光源10与硅块20之间的限光片40，如图8所示，限光片40由透光区41和遮光区42组成，透光区41和遮光区42间隔设置。

通过对现有的红外探测装置进行改进，在红外光源10与硅块20之间设置由透光区41和遮光区42间隔组成的限光片40，该限光片40将光源分割成数个面积小于缺陷区域的小光源，解决了在缺陷后方光线汇集导致无法准确地显示出硅块20内部全部缺陷的问题，从而达到准确探测缺陷的目的。采用本发明所提供的具有限光片40的装置用于多晶硅锭破锭后硅块20内部缺陷的探测，从而保证了对硅块20全方位探测，提高了硅块20内部缺陷检测的质量，保障了后续切片工艺的进行。

为了达到较好的效果，透光区41和遮光区的面积小于等于缺陷区域的面积。其中缺陷区域的面积是指硅块内的绝大多数裂缝、杂质、黑点、阴影以及微晶等缺陷所占有的区域面积，一般为0.01cm²～12cm²。

优选地，透光区41和遮光区42均为尺寸相同的方格结构或长方形结构。本发明优选上述结构，但并不局限于此，只要透光区41和遮光区42相互间隔排列且透光区41的周侧被遮光区42所包围，且遮光区42的周侧被透光区41所包围，能够将红外光源分割成多个小面积的光源即可。当透光区41和遮光区42的面积、形状和尺寸相同时能够更快速准确地对硅块内部的缺陷区域进行探测。

如果位于硅块的水平切面中心附近具有缺陷面积大于光源面积的晶体缺陷、硬质杂质及裂纹时，红外光源光线经过缺陷区域时，缺陷区域遮挡住光线，必定会在缺陷区域的背光面形成暗区，也就会在显示器上显现出缺陷区域。当硅块的水平切面中心附近具有缺陷面积小于光源面积的晶体缺陷、硬质杂质及裂纹时，在没有采用限光片40的情况下，红外光源探测时，虽然到达缺陷区域的光线被阻挡，无法被接收器所接收，但是红外光源边缘位置发射的光线会沿缺陷外边缘入射到缺陷区域的背面，接收器30能够接收到该部分光线进而传输给成像系统成像，导致显示系统中显示硅块内部无缺陷，或缺陷区域不明显，从而导致无法有效判定硅块内部缺陷。

当采用本发明的限光片40时，限光片40的透光区40和遮光区42间隔排列，遮光区42的周侧均为透光区41，透光区41的周侧均为遮光区42，这样即便是光源面积大于硅块20内部的缺陷面积时，因限光片40将光源变成无数个小面积的光源，对于单一光源来说，数个小面积的光源其面积均小于缺陷区域的面积，确保缺陷区域的背光面没有光线通过，最终确保硅块内部的缺陷区域能够被准确地检测到。

根据本发明的一种优选实施方式，当透光区41和遮光区42为尺寸相同的方格结构时，方格结构的面积为S，0.5cm²≤S≤9cm²。采用方格结构具有方便操作的优势。如果方格结构的面积大于9cm²，则被分割后的数个小面积光源的面积有可能还会大于硅块内部缺陷区域的面 积，不利于硅块内部区域缺陷的探测；如果方格结构的面积小于0.5cm²，会出现光线强度不足，成像系统无法准确有效地成像。进一步优选地，方格结构的面积为S，0.5cm²≤S≤4cm²。最优选地，方格结构的面积S为1cm²。

对硅块20内部的缺陷进行探测时，由于现有的硅块20均为竖向较高的硅块，为了避免由于硅块20的高度问题造成位于硅块20两端的缺陷区域无法有效地成像，需要使红外光源10沿竖直方向上下移动。可以将遮光片40设置在硅块20上靠近红外光源一侧的硅块20侧面上，也可以使限光片40与硅块20保持一定的距离，限光片可以由测试人员进行摆放，使其一直处于红外光源10和硅块20之间的位置，这样硅块的侧面每旋转一次，测试人员需要重新放置一次限光片40。

根据红外光源10与硅块20之间的距离为200～300mm，优选地，本发明将硅块20与限光片40之间的距离L限定为0≤L≤50mm。如果硅块20与限光片40之间的距离L大于50mm，则会导致红外光源10发射的红外光线经过限光片40后，由透光区41透过的光线在限光片40和硅块20之间的区域又会形成光线分散性良好的数个大面积光源，进而无法确保硅块内部的全部缺陷区域都能够被有效地检测到，对探测不利，会导致缺陷区域的判断准确度不高。优选地，0≤L≤20.mm，最优选地，L为0。当L为0时，即限光片40设置在硅块20上靠近红外光源一侧的侧面上时，红外光线经限光片40后被分割成数个小面积光源，此时可以更好地保持分散小面积光源的直线传播特性，减小测试误差，测试效果更优。

为了确保位于硅块20内部的所有缺陷区域均可以被准确地探测到，优选地，限光片40的面积大于等于硅块20的侧面面积。如果限光片40的面积小于硅块20的面积，则会导致硅块20的部分区域接收到的红外光线是未经过限光片分光的光线，这样无法准确地探测到硅块20内部的缺陷区域，进而影响后续的切片工艺。优选地，限光片40的厚度为0.5～10mm，进一步优选地，限光片40的厚度为3～7mm，最优选地，限光片40的厚度为5mm。如果限光片的厚度小于0.5mm，则在实际操作中容易损坏，如果40的厚度大于10mm，则会增加不必要的制作成本；。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述红外探测装置探测硅块内部缺陷区域的方法，包括以下步骤：S1、在红外光源10与硅块20之间设置限光片40；S2，控制红外光源10发出红外光线探测，控制接收器30收集红外光线并将红外信息传输给显示系统；S3，控制限光片40相对硅块20移动，使得透光区41至少部分覆盖移动前遮光区42所覆盖的区域，重复步骤S2，步骤S3执行1次或多次；以及S4，根据显示系统的扫描图像判断硅块20中的缺陷区域。

以透光区41和遮光区42为方格结构时来举例说明：当红外光源照射时，由于限光片40的存在，透光区41将光线分割成多个小面积光源，如果硅块20内部的缺陷区域50正好被透光区41所遮挡，则穿过透光区41的红外光线正好被缺陷区域所阻挡，这样缺陷区域的背光面就不会有光线被接收器30所接收，进而显示出位于硅块20内部的缺陷区域，从而达到探测缺陷的目的。将限光片40相对于硅块20相对移动一个方格后，这样透光区41与遮光区42位置互换，原来被遮光区42所遮挡的缺陷区域变成被透光区41所遮挡，这样就保证了硅块20内部的所有缺陷区域能够全部被探测到，避免了盲区的出现，使得硅块20内的全部缺陷区 域都能够被扫描到显示系统上。

优选地，步骤S3中控制限光片40相对硅块20水平或竖直移动。采用水平或竖直移动有利于限光片40的透光区域在硅块20的不同区域停留，进而保证透光区41可以覆盖整个硅块20的侧面，确保全方位探测硅块20内部的缺陷区域。一般采用操作人员手动控制限光片40的移动，通过控制限光片40相对于硅块20移动，可保证位于硅块20内的全部缺陷区域都能够被探测到，避免了盲区的出现。

根据本发明的一种典型实施方式，当透光区41和遮光区42为方格结构时，步骤S3中控制限光片40相对硅块20水平或竖直移动一个方格的距离。由于透光区41和遮光区42均为行并列设置的方格结构，探测时只需将限光片40相对于硅块20沿水平或竖直方向移动一个方格的距离，就可以避免缺陷区域50由于红外光线的漫折射又成为可透光区域的情况，进而保证了硅块20内的所有缺陷区域50均能够被红外探测装置探测到。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过对现有的红外探测装置进行改进，在红外光源与硅块之间设置由透光区和遮光区间隔组成的限光片，该限光片将光源发出的红外光线分割成数个面积小于缺陷区域的小光源，解决了在缺陷后方光线汇集导致无法准确地显示出硅块内部全部缺陷的问题，达到了准确探测的目的。因此，采用本发明所提供的具有限光片的装置用于多晶硅锭破锭后硅块内部缺陷的探测，从而保证了对硅块全方位探测，提高了硅块内部缺陷检测的质量，保障了后续切片工艺的进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于探测硅块内部缺陷区域的红外探测装置，包括：

红外光源(10)，用于发出红外线；

旋转台，用于放置待测硅块(20)；

接收器(30)，与显示系统连接，用于接收红外线并将红外信息传输给显示系统；

其特征在于，还包括设置在所述红外光源(10)与所述硅块(20)之间的限光片(40)，所述限光片(40)由透光区(41)和遮光区(42)组成，所述透光区(41)和所述遮光区(42)间隔设置，其中，

所述透光区(41)和所述遮光区(42)为尺寸相同的方格结构，

所述方格结构的面积为S，0.5cm²≤S≤4cm²。

2.根据权利要求1所述的红外探测装置，其特征在于，所述方格结构的面积S为1cm²。

3.根据权利要求1所述的红外探测装置，其特征在于，所述硅块(20)与所述限光片(40)之间的距离为L，0≤L≤50mm。

4.根据权利要求3所述的红外探测装置，其特征在于，0≤L≤20mm。

5.根据权利要求3所述的红外探测装置，其特征在于，L为0mm。

6.根据权利要求1所述的红外探测装置，其特征在于，所述限光片(40)的面积大于等于所述硅块(20)的侧面面积；所述限光片(40)的厚度为0.5mm～10mm。

7.根据权利要求6所述的红外探测装置，其特征在于，所述限光片(40)的厚度为3～7mm。

8.根据权利要求6所述的红外探测装置，其特征在于，所述限光片(40)的厚度为5mm。

9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的红外探测装置探测硅块内部缺陷区域的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在红外光源(10)与硅块(20)之间设置限光片(40)；

S2、控制所述红外光源(10)发出红外光线探测，控制接收器(30)收集红外光线并将红外信息传输给显示系统；

S3、控制所述限光片(40)相对所述硅块(20)移动，使得透光区(41)至少部分覆盖移动前遮光区(42)所覆盖的区域；

S4、重复步骤S2；以及

S5、根据所述显示系统的扫描图像判断所述硅块(20)中的缺陷区域；其中，所述步骤S3中控制所述限光片(40)相对所述硅块(20)水平或竖直移动一个方格的距离。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中控制所述限光片(40)相对于所述硅块(20)水平或竖直移动。