CN104204777A - 用于测量结晶硅铸造的单晶晶片的晶体分数的工艺和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于确定铸造单晶硅晶片的晶体分数的方法和装置。光源被导向晶片且通过检测器测量透射或反射。通过处理器产生晶片图像且根据所产生的图像计算晶体分数。晶体分数与所生产的太阳能电池的效率有关，晶体分数的确定允许在处理之前拒绝次级晶片。

Description

用于测量结晶硅铸造的单晶晶片的晶体分数的工艺和装置

技术领域

本发明的实施例大体涉及用于测量结晶硅铸造的单晶晶片的晶体分数的方法和装置。更特定而言，本发明的实施例针对用于通过以下一或多个步骤测量晶片的晶体分数的方法和装置：传输近红外光穿过晶片和从晶片表面反射光以及评算且确定单晶表面区域的百分比。

背景技术

在太阳能电池技术中使用的两种主要类型的块体材料是单晶硅和多晶硅。单晶晶片相对昂贵，但是产生更有效率的太阳能电池。在另一方面，多晶晶片的生产更便宜，但是产生较低效率的电池。近来，引入了名为“铸造单晶(Casted-Mono)(又称为准单晶(Quasi-Mono))”的新技术且此技术快速受到欢迎。铸造单晶生产既高效又低制造成本的太阳能晶片。

用于铸造单晶的新工艺经受高的质量变化，或更具体地说—经受在晶片的单晶区域中的变化。晶体分数(crystal fraction；CF)的质量分布与将由这些晶片制造出的太阳能电池的预期效率分布联系很大。

因此，开发检查所切割的晶片的方法和确定晶体分数是重要的。此信息能够用于将制造的晶片分类和分等级，且此信息也能够对制造工艺提供实时反馈。当前，没有测量CF的市售检查系统，且仅在电池完全制造之后才能获得对晶片质量的反馈。因此，在本领域中需要准确地和重复地测量晶体分数的方法和系统。

发明内容

本发明的一或更多个实施例针对确定铸造单晶晶片的晶体分数的方法。光穿过铸造单晶硅晶片。已穿过晶片的光被检测，且从被检测的光产生铸造单晶硅晶片的图像。确定铸造单晶晶片的晶体分数。

在一些实施例中，光包含近红外光。在一或多个实施例中，近红外光具有约870nm的波长。在一些实施例中，光通过发光二极管(light emitting diode；LED)发射。

在一些实施例中，确定铸造单晶片的晶体分数包含确定晶片的单晶最大区域。一或更多个实施例进一步包含确定单晶晶片区域的百分比。一些实施例进一步包含基于单晶晶片区域的百分比评算铸造单晶晶片的质量。在一或多个实施例中，单晶晶片大于90％指示良好的晶片，在约60％至约90％的范围内的百分比指示二级晶片，且小于约60％的百分比指示不良的晶片。

本发明的额外实施例针对确定铸造单晶硅晶片的晶体分数的方法。铸造单晶硅晶片与光接触。穿过晶片的光和从晶片反射的光中的一或多种光被检测。从被检测的光产生铸造单晶硅晶片的图像，且确定铸造单晶硅晶片的晶体分数。

在一些实施例中，光是具有约870nm的波长的近红外光，且光穿过铸造单晶硅晶片。在一些实施例中，光是紫外光、可见光和红外光中的一或多种，且光从铸造单晶硅晶片的表面反射。

在一些实施例中，确定铸造单晶硅晶片的晶体分数包含：确定晶片的单晶最大区域和计算单晶晶片区域的百分比。

本发明的进一步实施例针对用于测量铸造单晶晶片中的晶体分数的系统。所述系统包含支撑件、光源、检测器和处理器。支撑件固持铸造单晶晶片。光源发射指向铸造单晶晶片的光。检测器在暴露至铸造单晶晶片之后测量光。处理器与检测器通信且评算晶片的晶体分数。

在一些实施例中，光是近红外光。在一些实施例中，近红外光被导向至铸造单晶晶片的背侧，且检测器测量来自光源的传输穿过铸造单晶晶片的近红外光。在一些实施例中，近红外光具有约870nm的波长。在一或多个实施例中，光源是发光二极管(light emitting diode；LED)。在一些实施例中，光是紫外光、可见光和红外光中的一或多种。

在一些实施例中，光被导向至铸造单晶晶片的前侧，且检测器测量来自光源的从铸造单晶晶片的前侧反射的光。

在一些实施例中，处理器通过比较具有相对均匀透射的晶片区域与具有相对不均匀透射的晶片区域且确定均匀区域的百分比来评算晶片的晶体分数。

附图说明

为了获得且能够详细地理解本发明的上述特征，可通过参考本发明的实施例来获得上文简要概述的本发明的更特定描述，所述实施例图示在附图中。然而，应注意的是，附图仅图示本发明的典型实施例且因此不应将附图视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他同等有效的实施例。

图1图示硅晶片的透射率和硅CCD检测器灵敏度的图形；

图2图示根据本发明的一或多个实施例的系统的示意图；

图3图示根据本发明的一或多个实施例的系统的示意图；

图4图示包括单晶晶片、多晶晶片和铸造单晶晶片的结晶硅太阳能晶片的近红外图像；

图5图示通过根据本发明的一或多个实施例的晶体分数系统检查的典型铸造单晶晶片；

图6图示样品晶片的重复测量的晶体分数的图形；和

图7图示一百个硅晶片在多个定向的晶体分数的图形。

具体实施方式

本发明的实施例作为快速且可靠的方式涉及结晶硅太阳能电池和晶片制造以在铸造单晶晶片进入电池生产线或离开切片(wafering)工艺(作为裸晶片)的阶段时测量铸造单晶晶片的晶体分数。晶体分数与最终电池效率相互关联。因此，晶体分数是在处理原材料之前帮助预测和估计原材料质量的非常重要的参数。人工筛选被用于检验原材料的质量，但人工筛选并不是非常准确或可重复的工艺。另外，人工筛选不满足制造的产量需求。

所述方法的实施例提供晶体分数的极其准确和可重复的测量，所述测量实时提供有用的数据。所述方法和系统有可能被广泛地采用作为CF检查和产量提高的行业标准。

在一些实施例中，在传输模式中使用成像近红外(Near Infra Red；NIR)视觉系统扫描晶片，所述视觉系统产生显示晶片形态的清晰和对比图像。所有颗粒边界通过此技术(所述技术使用线扫描成像)清楚可见，以获得快速的实时图像。用于处理图像的软件找到晶片上的光滑的最大区域，将所述区域看作所述晶片的单晶区域。此单晶区域出自整个晶片区域的分数被认为是晶体分数，并且此分数给予电池制造商或晶片制造商关于材料质量的重要数据。

检查系统的一或更多个实施例基于近红外波长中的明场传输光学系统(bright field transmission optics)。光穿透晶片且在CCD摄像机上产生图像。根据硅材料在近红外光中是半透明的事实，已选择线性1D LED光源且将所述光源放置在运载晶片的输送装置之下。已通过考虑硅晶片的透射光谱和硅CCD传感器的响应光谱(responsivity spectrum)来确定光源的精确波长，如图1中所示。虽然以下描述参照硅晶片，但是本领域技术人员将理解，能测试其他晶片材料且本发明的范围不应仅限于硅晶片。

图2图示根据本发明的一或多个实施例的系统100的示意图。系统100包括支撑件110，支撑件110固持铸造单晶硅太阳能晶片120。支撑件110可以例如是输送装置、升降销或空气轴承系统。支撑件110不应干扰系统所使用的光的传输或检测。图2中所示的实施例图示输送装置作为支撑件110且被图示为一系列圆。晶片120沿着输送装置移动通过视觉系统130。

在图2中所示的实施例中，晶片120被移动同时视觉系统130保持固定。此情况仅是一种可能的系统的说明，且不应被视为本发明范围的限制。在一些实施例中，晶片120保持固定且视觉系统130或视觉系统的一部分横跨晶片120移动。

视觉系统120包括光源140，光源140发射指向铸造单晶硅太阳能晶片120的光145。图2中的光源140被图示为在晶片120之下，其中光145穿过晶片120。此实施例中的光源140将光145指向晶片120的背表面122。光145穿过晶片145且被检测器150检测，检测器150朝向晶片120的前侧121。此情况是使用光透射穿过晶片120的实施例。本领域技术人员将理解，此情况仅是一个可能的布置且此情况不应被视为本发明范围的限制。

根据测量模式(即透射或反射)，光源140能够是任何适合的光源。适合的光源在可见波长区域、紫外波长区域、红外波长区域和近红外波长区域的一或多个波长区域中发射辐射。在一些实施例中，如可能用于透射测量，光源140发射近红外光145。近红外光145被指向晶片120的背侧，且检测器150测量透射穿过晶片120的近红外光。在图2的透射模式中，光源140可以能够穿过晶片120的任何适合的波长发射光。在一或多个实施例中，波长是870nm或950nm的一或多个。在一些实施例中，波长在约870nm至约950nm的范围内。在一或多个实施例中，波长在约800nm至约1000nm的范围内。光源140能够是任何类型的光源，所述光源包括但不限于激光器、发光二极管(LED)、有机发光二极管(organic light emitting diode；OLED)、原子线源、氖灯、汞汽灯、气体放电灯和钠灯。

在图3中所示的实施例中，视觉系统被布置以进行晶片120的前表面121的反射测量。在此处，光源140将光145导向晶片120的前表面121，光在所述前表面处被反射146。又称为入射光的光145接触晶片120且至少一部分所述光被反射。反射光146被检测器150检测。反射光146可以是镜面反射或漫反射的结果。

在图3的实施例中，光145被导向铸造单晶硅太阳能晶片120的前侧121。检测器150测量来自前侧121的反射光146。一些实施例的光源是可见光和紫外光的一或多种。根据晶片120的具体组成，可见光和紫外光将不会透射穿过晶片120，而将被至少部分地朝向检测器反射。

检测器150能够是用于测量光的任何适合的检测器。适合的检测器包括但不限于线扫描摄像机和电荷耦合装置(CCD)。在一些实施例中，检测器是线扫描摄像机，所述摄像机能检测由光源140发射的波长的光。

处理器160与检测器150通信，且处理器160能评算由检测器提供的数据。在一些实施例中，处理器与检测器150和光源140两者通信且处理器可控制这两个部件。在一些实施例中，处理器160执行以下步骤的一或多个步骤：从检测的光产生铸造单晶硅晶片的图像和评算晶片120的晶体分数。

能通过比较具有相对均匀透射的晶片区域与具有相对不均匀透射的晶片区域来确定晶片的晶体分数。此情况的实例可见于图4和图5中。如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“均匀透射”意指被分析的像素的颜色或强度在预定阈值之内类似于周围像素。在一些实施例中，图像处理发现最大颗粒的颗粒边界(轮廓)且随后计算这个区域(基于图像中的像素数目)。在一些实施例中，确定铸造单晶硅晶片的晶体分数包含确定晶片的单晶最大区域。单晶晶片区域的百分比能通过将单晶区域除以整个晶片的区域来确定。整个晶片区域能通过人工输入直接地输入到处理器中，或能由视觉系统确定。

在一些实施例中，能基于单晶晶片区域的百分比评算晶片质量。具有大于约90％的单晶区域的晶片能被指示为良好的晶片。具有在约60％至约90％的范围内的单晶区域的晶片能被指示为第二或B级晶片。具有小于约60％的单晶的晶片能被指示为能被回收的不良晶片。

参看图4，具有波长为870nm的发光二极管被引导穿过晶片，且具有象素大小为40微米的线扫描摄像机被放置以监测透射穿过晶片的光。由摄像机产生的图像清楚地显示颗粒边界和单晶与多晶区域。处理器160能确定多晶区域边界和单晶区域，以提供精确和准确的CF测量。因为摄像机的曝光时间由于高的生产线产量(在大量生产中通常是每小时3600个晶片)而必须很短，所以已经仔细计算了系统的光预算。由于高的产量，用于检查晶片的周期时间可能非常短(例如最多达1秒)。在一些实施例中，用于检查晶片的周期时间最多达约2秒或最多达约1.5秒或最多达约1秒或最多达约900毫秒或最多达约800毫秒或最多达约700毫秒或最多达约600毫秒或最多达约500毫秒。为了不得到模糊图象，摄像机的曝光时间必须很短。在一些实施例中，曝光时间乘以取样速度不应超过系统分辨率的约20％或约15％或约10％或约5％。一些实施例的系统分辨率是约60μm或约50μm或约40μm或约30μm或约20μm，或在约20μm至约60μm的范围内。

已对各种晶片建立和测试检查系统。在图5中图示典型的晶片图像和测量的CF。在线速度(1个晶片每秒)处获得的对比是优异的，给出了颗粒和所述颗粒的边界的清晰且明快的图像。在获得高质量图像的情况下，处理器计算单晶区域。图5中所示的晶片的晶体分数是55.3％。此晶片通常会是不合格的且此晶片通常会是被回收以供将来使用的硅。

为了证明系统的可重复性(准确度和精确度)，单个晶片被检查数百次。结果图示于图6中。可见所述系统证明了优良的可重复性(标准偏差小于0.2％)。

因为晶片大致是正方形，所以测试了对晶片定向的不变性。在总共四个定向中测试了一百个典型晶片。测试结果图示于图7中且指示测量对晶片定向高度不变(highly invariant)。测量误差小于峰-峰值(peak-to-peak)的0.8％。CF的变化与所生产的电池的效率的最多达0.7％的变化相关联(取决于工艺)。

所描述的方法和系统提供了关于晶片质量的重要信息，所述信息与电池效率直接相关。晶片制造商将能够使所述制造商的生产工艺闭环且提供更高质量的产品，以及将所述制造商的晶片入库且根据晶片的质量销售晶片。电池制造商将能够预测预期的电池效率，拒绝低质量晶片，且更好地计划制造商的生产。

尽管本文已参考特定实施例描述了本发明，但是应理解，这些实施例仅是本发明的原理和应用的说明。将对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，能对本发明的方法和装置进行各种修改和变化。因此，本发明旨在包括在附加权利要求书和所述权利要求书的等同物范围之内的修改和变化。

Claims (15)

1.一种用于测量铸造单晶晶片中的晶体分数的系统，所述系统包含：

支撑件，所述支撑件固持铸造单晶晶片；

光源，所述光源发射指向所述铸造单晶晶片的光；

检测器，所述检测器在暴露于所述铸造单晶晶片之后测量所述光；和

处理器，所述处理器与所述检测器通信，所述处理器评算所述晶片的所述晶体分数。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述光是近红外光。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述近红外光被导向至所述铸造单晶晶片的背侧，且所述检测器测量来自所述光源的透射穿过所述铸造单晶晶片的近红外光。

4.如权利要求2至3中任一项权利要求所述的系统，其中所述近红外光具有约870nm的波长。

5.如权利要求2至4中任一项权利要求所述的系统，其中所述光源是发光二极管(LED)。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述光是紫外光、可见光和红外光的一或多种光。

7.如权利要求1或6中任一项权利要求所述的系统，其中所述光被导向至所述铸造单晶晶片的前侧，且所述检测器测量来自所述光源的从所述铸造单晶晶片的所述前侧反射的光。

8.如上述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中所述处理器通过比较所述晶片的具有相对均匀透射的区域与具有相对不均匀透射的区域且确定均匀区域的百分比来评算所述晶片的所述晶体分数。

9.一种确定铸造单晶晶片的晶体分数的方法，所述方法包含：

使光穿过所述铸造单晶硅晶片；

检测已穿过所述晶片的所述光；

从所检测的光产生所述铸造单晶硅晶片的图像；和

根据所述图像确定所述铸造单晶晶片的所述晶体分数。

10.一种确定铸造单晶硅晶片的晶体分数的方法，所述方法包含：

使所述铸造单晶硅晶片与光接触；

检测穿过所述晶片的光和从所述晶片反射的光的一或多种光；

从所检测的光产生所述铸造单晶硅晶片的图像；和

根据所述图像确定所述铸造单晶硅晶片的所述晶体分数。

11.如权利要求9至10中任一项权利要求所述的方法，其中所述光是近红外光且穿过所述铸造单晶硅晶片，所述近红外光具有约870nm的波长。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述光是紫外光、可见光和红外光中的一或多种光，且所述光从所述铸造单晶硅晶片的表面反射。

13.如权利要求9至12中任一项权利要求所述的方法，其中确定所述铸造单晶硅晶片的所述晶体分数包含：确定所述晶片的单晶最大区域且计算单晶晶片区域的百分比。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包含：确定单晶晶片区域的所述百分比。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包含：基于单晶晶片区域的所述百分比评算所述铸造单晶晶片的质量。