CN104181130A - 基于光致发光法的硅片、太阳能电池在线分拣装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光致发光法的硅片、太阳能电池在线分拣装置。包括检测模组(5)、移动滑块(4)、导轨(6)、电池位置探测器(3)、光源驱动器(8)和数据采集及控制计算机(7)。利用多个安装在移动滑块(4)上，安装间距与传送带上被检太阳能电池(2)间距相等的检测模组(5)，可同时检测多片太阳能电池片。利用多个移动滑块(4)沿电池生产线的传送带(1)往复运动，使移动滑块(4)分别与传送带上的1、2、5、6...或3、4、7、8...号电池片同步运动，并在同步期间采集数据，根据电池片的光致发光亮度和激发光消失后光致发光的持续时间判断电池片特性优劣。本发明的装置具有结构简单、成本低、分拣效率高的特点，特别适用于高速连续运转的生产线。

Description

基于光致发光法的硅片、太阳能电池在线分拣装置

技术领域

本发明涉及一种硅片、太阳能电池检测装置。尤其是一种基于光致发光法对硅片、太阳能电池进行在线快速分拣的检测设备。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源消耗量急剧增加。大量化石能源的消耗使空气质量成为影响人们生活品质的重要制约因素。减少化石能源使用量的有效方法是普及太阳能等清洁能源。因此，太阳能电池产业在近年取得了飞跃发展。在太阳能电池的生产过程中，涉及到切片、制绒、扩散、刻蚀、镀减反膜、电极丝网印刷、烧结等多道工序。每道工序都有可能损伤硅片，形成次品。因此，如何在每个生产环节快速检测是光伏产业的一个重要问题。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，硅片内的缺陷等多种信息，是太阳能电池生产过程中进行质量控制的有力工具。光致发光法无需电极，而且是完全无接触测量，不会给被检电池带来任何损伤。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所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。由于光致发光强度仅为激发光强度的万分之一甚至几百万分之一，为了获得清晰的图像需要较长的曝光时间，通常为1秒至几十秒。而目前太阳能电池生产线的运转速度一般为每秒100-200毫米。即使采用最灵敏的CCD器件，曝光时间减少到1秒，也仍旧无法适应生产线的运行速度。为了满足检测装置的曝光时间要求，避免降低整个生产线的运行速度，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个标准太阳辐照度来快速检测太阳能电池特性的方法。但要产生如此高强度的光照需要克服许多现实的技术难题，专利本身也没有给出具体的实施技术方案。

针对现有问题，本发明用单个光电二极管取代已知方法中所用的CCD摄像头，将太阳能电池表面上发射的所有光致发光能量全部集中到一个光电二极管上，增加信号强度；用多个检测模组同步跟踪生产线上的太阳能电池片，通过多检测模组交替采样的方法，用一般强度的激发光照实现了在线快速分拣。与已公开专利中利用CCD摄像头检测硅片的裂纹等不同，本方法通过检测硅片、太阳能电池在相同激发光照射下的光致发光亮度和激发光消失后光致发光的持续时间来检测有缺陷的硅片与太阳能电池片。

发明内容

光致发光法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，对于晶硅太阳能电池激光光的波长一般小于900nm，将半导体材料中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质量。一般情况下，相同激发光强所产生的光致发光越强，激发光消失后光致发光持续的时间越长，表示硅片或太阳能电池的性能越好。本发明旨在提供一种基于光致发光法，结构简单、价格低廉、能够适用于连续运转生产线用的硅片及太阳能电池片分拣装置。

为了适应连续高速运转生产线的需要，本发明采用了多检测模组交替同步采集的技术方案。当电池片位置探测器(3)检测到生产线上电池片边缘出现后，通知计算机起动移动滑块(4)运动，并根据位置探测器(3)检测到的生产线(1)上相邻两片电池片出现的时间差控制移动滑块(4)的移动速度，使其与传送带上电池片的移动速度一致。在保持移动滑块(4)与电池片移动速度相同的同时，计算机(7)将根据移动滑块(4)或导轨(6)上的移动滑块(4)的位置传感器和电池片位置探测器(3)的信号，调整移动滑块(4)与被检电池片(2)之间的相对位置，使检测模组(5)的中心与被检电池片(2)的中心一致。位置与速度同步后，计算机(7)控制光源驱动器(8)向光源(9)发出电脉冲，驱动光源(9)闪光。光源(9)所发射的光脉冲照亮被检电池(2)并发出比激发光波长长的红外光致发光。电池(2)发出的峰值为1050nm的光致发光穿过长波通滤光片(12)后，被聚光透镜(11)会聚到对红外光敏感的InGaAs光电二极管(10)上转换成电流信号。而激发光因波长比光致发光短，被长波通滤光片(12)截止，无法到达光电二极管(12)。光电二极管(10)所产生的电流信号经高速放大电路(13)转换为电压信号后送到计算机(7)与所定的模型进行比较。在相同激发强度下，光致发光亮度高、激发闪光结束后光致发光持续时间长的硅片或太阳能电池性能更好。

为了保证光电二极管(10)所接受的光均来自被检电池(2)的光致发光。被检电池(2)和光电二极管(10)的位置处在聚光透镜(11)的一对光学共轭面上，即电池(2)上表面被聚光透镜(11)成像在光电二极管(10)的光敏面上。由聚光透镜(11)中心到被检电池(2)上表面的距离l和聚光透镜(11)中心到光电二极管(10)的距离l’之比l/l’小于被检电池(2)的边长与光电二极管(10)光敏面的边长之比。这样可以保证光电二极管(10)所接收到的只是电池(2)部分表面的光致发光，即使检测模组(5)和太阳能电池(2)之间的位置同步存在一定误差，仍能保证光电二极管所接收到的信号全部来自太阳能电池(2)。

为了便于控制，本发明采用价格便宜，使用方便的大功率LED作为激发光源，光源的峰值波长可在400-900nm范围内选择。LED光源本身的响应时间很快，能达到纳秒量级，为了获得较快的下降沿，光源的驱动器(8)应选用高速开关电路实现具有快速下降沿的光源驱动电脉冲，使所发出的光为脉冲光，即发光持续时间小于1s，其发光强度从峰值的90％下降到峰值10％的脉冲下降时间小于5μs。这样做的目的是能够测量比较不同电池片在激发光消失后，光致发光的衰减时间。

可在同一个移动滑块(4)上等间距安装多个检测模组(5)，安装间距应和传送带(1)上相邻太阳能电池片(2)间的间距相同。如果分拣装置共有两个移动滑块(4)，每个移动滑块上安装有两个检测模组(5)，则可通过计算机(7)控制移动滑块(4-1)对第1，2，5，6…号电池片同步采样，而移动滑块(4-2)对第3，4，7，8…号电池片同步采样。同样，如果安装有三个移动滑块(4)，而每个滑块仅装有一个检测模组(5)，则由第一个移动滑块(4-1)负责采集第1，3，5…号电池片，第二个移动滑块(4-2)负责采集第2，4，6…号电池片，以此类推。移动滑块(4)可在不采样的时间间隔内反向移动，以便对下一组电池片同步采样。

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为检测模组(5)的结构示意图

图3为InGaAa光电二极管(10)，聚光透镜(11)和被测太阳能电池(2)的位置关系图

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、技术性能和功能点，但本发明的具体实施方案并不仅限于该实施例。

图1为本发明基于光致发光法的硅片、太阳能电池在线分拣装置的示意图：被检太阳能电池(2)吸附在传送带(1)上向右连续移动。在移动滑块(4-1)的前方或后方约30-50cm处，传送带(1)的固定支架上，太阳能电池上方数厘米处安装有位置传感器(3)用于检测太阳能电池边缘出现的时间。传感器(3)不随传送带移动。传感器(3)可选用蓝光反射传感器。当太阳能电池片(2)的边缘出现在传感器(3)下方时，传感器(3)有信号输出。比如，可选用欧姆龙的微小光点/标记检测用放大器分离光点传感器。

在被检电池片(2)上方约30-60cm处，配备有50-100cm长的导轨(6)用于支撑移动滑块(4)的移动。导轨(6)和移动滑块(4)之间可为滚珠滑动，也可为齿轮、齿条或皮带链接。本实施例采用丝杠、螺母连接实现移动滑块(4)在被检电池(2)上方周期性匀速运动。本实施例所用移动滑块(4)的长度为20cm，每个移动滑块(4)上安装的检测模组(5)的数量为2，两个检测模组(4)之间的间距调整为16.5cm，为生产线传动带(1)上两个太阳能电池片(2)之间的中心间距。在移动滑块(4)的驱动机构上安装有光电编码盘或光栅尺等精密位置传感器，能够精确确定移动滑块(4)与太阳能电池位置传感器(3)之间的距离，由此可实现检测模组(5)与太阳能电池(2)中心的精确对准。移动滑块(4)的移动速度可根据位置探测器(3)检测到的相邻两片太阳能电池(2)出现的时间间隔来实时调节。

图2是检测模组(5)的结构示意图。检测模组(5)由金属壁筒，发光光源(9)，InGaAs光电二极管(10)、聚光透镜(11)、长波通滤光片(12)和高速放大电路(13)组成。发光光源(9)为三个美国Cree公司生产的、波长660nm的红色3W大功率X-lamp发光二极管LED。三个LED以聚光透镜(11)为中心对称安装在金属壁筒内。在驱动电源(8)的驱动下，它所发出的激发光均匀照射在被检硅片或太阳能电池表面上。驱动电源(8)的驱动电流可在计算机(7)的控制下调整脉冲宽度和脉冲幅度，最大驱动电流为6A，为了提高驱动电流的下降速率，采用三个LED分三路分别驱动，每路最大驱动电流2A。硅片或太阳能电池受光照激发后产生的光致发光透过滤光片(12)由聚光透镜(11)会聚到InGaAa光电二极管(10)上，光电二极管(10)受光照所产生的光电流经高速放大电路放大后传送到数据采集计算机(7)。光电二极管(10)与高速放大电路的组合可选用美国Thorlabs公司的DET10C型高速光探测器，光敏面为0.8mm²，敏感波长范围700-1800nm，信号响应上升时间可达10ns。驱动电源(8)可输出连续恒流或脉冲电流，使LED所发出的光为脉冲光，发光持续时间小于0.2s，其发光强度从峰值的90％下降到峰值10％的脉冲下降时间小于5μs。

图3为InGaAa光电二极管(10)，聚光透镜(11)和被测太阳能电池(2)的位置关系图。被检电池(2)和光电二极管(10)处于聚光透镜(11)的光学共轭面上，并且由聚光透镜(11)的中心到被检电池(2)上表面的距离l和聚光透镜(11)的中心到光电二极管(10)的距离l’之比l/l’小于被检电池(2)的边长与光电二极管(10)光敏面的边长之比。所选光电二极管的光敏面为φ1mm圆形，其内切正方形的边长为0.7mm；被检太阳能电池边长为15.6cm，则被检太阳能电池经聚光透镜(11)成像后应缩小约156/0.7＝220倍。我们选用的聚光透镜(11)为放大倍率40倍的显微物镜反向使用，即并非将物体放大40倍，而是将物体缩小40倍成像在光电二极管管光敏面上。由于放大倍率远比被检太阳能电池和光电二极管光敏面的比值，检测模组只对被检电池(2)的部分区域取样，即使检测模组(5)与被检电池(2)的位置和速度同步有部分误差，也能保证检测模组(5)所探测到的信号是从被检电池(2)表面所发射的光致发光。

Claims (6)

1.一种硅片、太阳能电池在线快速分拣装置，有安装了数据采集、控制卡的计算机(7)，其特征在于：至少两个检测模组(5)分别安装在不同的移动滑块(4)上，移动滑块(4)与位于被检太阳能电池(2)正上方的导轨(6)相配合沿传送带(1)的方向往复运动；位置探测器(3)在太阳能电池(2)上方附近用于检测太阳能电池(2)的边缘位置，使移动滑块(4)在与传送带(1)运动方向一致时的移动速度与传送带(1)相同，并通过计算机(7)控制调整，使检测模组(5)的中心与被检太阳能电池(2)的中心对准；检测模组(5)内的发光光源由光源驱动器(8)供电。 

2.根据权利要求1所述的分拣装置，其特征在于：所述的检测模组(5)由激发光源(9)、InGaAs光电二极管(10)、聚光透镜(11)、长波通滤光片(12)和高速放大电路(13)组成；光源(9)所发出的激发光均匀照射在被检硅片或太阳能电池表面上，硅片或太阳能电池受光照激发后产生的光致发光透过滤光片(12)由聚光透镜(11)会聚到InGaAa光电二极管(10)上，光电二极管(10)受光照所产生的光电流经高速放大电路(13)放大后传送到数据采集计算机(7)。 

3.根据权利要求2所述的检测模组(5)，其特征在于：被检太阳能电池(2)和光电二极管(10)处于聚光透镜(11)的一对光学共轭面上，并且从聚光透镜(11)的中心到被检电池(2)上表面的距离l和聚光透镜(11)的中心到光电二极管(10)的距离l’之比l/l’小于被检电池(2)的边长与光电二极管(10)光敏面的边长之比。 

4.根据权利要求2所述的激发光源(9)，其特征在于：光源为波长小于900nm的大功率单色发光二极管LED；光源所发出的光为脉冲光，光脉冲持续时间小于1s，其发光强度从峰值的90％下降到10％的脉冲下降时间小于5μs；光电二极管(10)和高速放大电路(13)组合的检测响应时间小于50ns。 

5.根据权利要求1所述的分拣装置，其特征在于：同一移动滑块(4)上安装的多个检测模组(5)之间的安装间距可调，并为传动带(1)上相邻太阳能电池(2)之间中心间距的整数倍。 

6.根据权利要求1所述的分拣设备，其特征在于：移动滑块(4)的移动速度可根据位置探测器(3)检测的太阳能电池(2)的移动速度实时调节；移动滑块(4)或导轨(6)上安装有移动滑块(4)的位置传感器。