CN106546897A - 基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统及其运行方法，包括激发光源装置、传送扫描装置、上位机，还包括短波红外成像仪，所述短波红外成像仪连接所述上位机，所述短波红外成像仪接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像，本发明针对的材料范围广，可以检测包括单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒材料在内的太阳能电池薄膜、晶片和组件。本发明所使用的InGaAs短波红外成像仪在这些材料的太阳能电池薄膜、晶片及组件光致发光光谱段内有很高的量子效率，能够以微秒量级的积分时间高速获取光致发光图像，对太阳能电池薄膜、晶片及组件进行检测。

Description

基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统及 其运行方法

技术领域

本发明涉及基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统及其运行方法，属于太阳能电池检测技术领域。

背景技术

太阳能电池薄膜、晶片的生产过程涉及到切片、制绒、扩散、刻蚀、镀减反膜、电极丝网印刷和烧结等多道工序，而这其中每道工序都有可能损伤硅片，形成缺陷，导致最终制成的太阳能电池成品率不高、且浪费大量能源。太阳能电池组件的制作过程涉及分选、划片、焊接、层压和装框等步骤，在这些步骤中也非常容易对太阳能薄膜和晶片造成损伤，影响最终制成的太阳能电池组件的质量。因此，在各环节实时快速地检测太阳能电池薄膜、晶片及组件质量就变得尤为重要。而要想实时快速地检测太阳能电池的缺陷状况等信息，多采用光致发光的原理进行检测。光致发光是指：当价带的电子受到入射光子的激发后，会越过禁带进入导带，导带上的这些被激发的电子会在一定时间内跃迁回到价带，并以辐射光子的形式来释放能量。光致发光法监测太阳能电池薄膜、晶片及组件特性的基本原理是照射到太阳能电池薄膜、晶片及组件表面的光辐射光子能量大于其带隙能，将太阳能电池薄膜、晶片及组件材料中的原子从基态激发到激发态，原子从激发态向基态跃迁发出荧光信号。光致发光图像中携带了大量信息，光致发光检测具有快速无损、实时准确等特点，能够有效检测材料中的杂质和缺陷情况。目前，工业上用的检测系统多针对于单晶硅和多晶硅材料的太阳能电池晶片，使用Si-CCD相机检测光致发光图像分析材料的杂质和缺陷情况，涵盖材料范围比较小，且需要积分时间达到秒量级才能获取完整的光致发光图像，不利于实时在线监测。

中国专利文献CN102540045A公开了涉及一种太阳能电池片不良品的检测装置，公开了一种太阳能电池片不良品的红外线成像检测装置。其包括电脑(2)、CV/CC电源(3)和红外成像仪(5)，CV/CC电源(3)连接红外成像仪(5)，红外成像仪(5)连接电脑(2)；CV/CC电源(3)施加反向电流，通过红外成像在外加电场的作用下电池表面温度波动而反映出不良再进行红外捕捉，通过电脑输出进行分析，从而检测出太阳能电池片不良品。但是，本专利存在以下问题：(1)需要给太阳能电池片施加反向电流，则针对的只能是生长过电极的太阳能电池片和组件，无法检测没有电极的太阳能电池晶片和薄膜，不能在太阳能电池生产的前几个环节进行检测筛选；(2)给太阳能电池施加反向电流引起温度变化，需要等待一定的时间，检测效率低；(3)通过为太阳能电池施加反向电流进行检测，会一定程度影响太阳能电池的寿命，并且对太阳能电池有损伤；(4)红外成像仪检测温度即热成像，是利用物体辐射光进行成像，对温度很敏感，但物体轮廓和细节会比较模糊。

短波红外成像在国内是一个新兴的研究领域，目前这种短波红外成像仪还处于研发制造阶段，未正式投入应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统；

本发明还提供了上述太阳能电池光致发光高速检测系统的运行方法；

本发明能够对单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒等多种材料的太阳能电池薄膜、晶片及组件进行光致发光检测，且大大提升了检测速度，以微秒量级的积分时间即可获取完整的光致发光图像，分析材料的杂质和缺陷情况。

本发明的技术方案为：

基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，包括激发光源装置、传送扫描装置、上位机，还包括短波红外成像仪，所述短波红外成像仪连接所述上位机，所述短波红外成像仪接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像。所述太阳能电池薄膜、晶片及组件，例如，包括单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒等多种材料的太阳能电池薄膜、晶片及组件。

根据本发明优选的，所述短波红外成像仪为线列扫描InGaAs短波红外成像仪，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪包括依次连接的短波红外镜头、InGaAs短波红外线性器件、采集成像电路。

此处设计的优势在于，包括单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒等多种材料太阳能电池薄膜、晶片及组件的光致发光光谱峰值落在950nm～1200nm间，现在常用的Si-CCD相机的理论响应波长上限是1000nm，而我们制作的线列扫描InGaAs短波红外成像仪响应波段是900nm～1700nm，所以相比于现在常用的Si-CCD相机，线列扫描InGaAs短波红外成像仪在该波段有更高的量子效率，能够以微秒量级的积分时间高速获取光致发光的图像，速度远远超出常见Si-CCD相机秒量级积分时间的速度；相比于面阵凝视型InGaAs短波红外成像仪，线列扫描InGaAs短波红外成像仪成本更低，更适合用于流水线工作。

根据本发明优选的，所述短波红外镜头的焦距为50mm，保证了足够的成像距离；光学系统口径为F1.2，保证了足够的进光量；选用短波红外波段高透的光学玻璃，并镀增透膜。增加了镜头在短波红外波段的透过率；以双高斯形式为初始结构，使用镧系玻璃等高折射率材料补偿色差，以获得更好的成像效果。

根据本发明优选的，所述InGaAs短波红外线性器件的型号为SITP-NIR-256。上海技术物理研究所制作的SITP-NIR-256型号器件，响应波长900nm-1700nm，共有256个像元，呈一字型排列，像元尺寸50μm×50μm，中心距50μm。

根据本发明优选的，所述采集成像电路包括短波红外线列探测器接口模块、信号调理模块、A/D转换模块、控制模块和USB模块，所述短波红外线列探测器接口模块、所述信号调理模块、所述A/D转换模块、所述控制模块依次环形连接，所述控制模块连接所述USB模块，所述短波红外线列探测器接口模块连接所述InGaAs短波红外线性器件；

时序驱动信号经所述短波红外线列探测器接口模块输入所述InGaAs短波红外线性器件，所述InGaAs短波红外线性器件输出信号经所述短波红外线列探测器接口模块进入所述信号调理模块；所述信号调理模块对输入的信号进行差分、滤波和放大，消除信号中的噪声；提高信噪比；所述A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号；所述控制模块为所述InGaAs短波红外线性器件提供时序驱动信号驱动其工作，为所述A/D转换模块提供采集控制信号控制采集速度，接收转换得到的数字信号，将其转换拼接成二维图像，并对图像进行盲元消除、非均匀校正和图像增强处理；提升图像质量；所述USB模块用于将处理完成的图像高速无损地传输到上位机中进行分析。

根据本发明优选的，所述A/D转换模块选用高速并行模数转换器；配合恰当的退耦电路和阻抗匹配，可以在保证信号质量前提下高速地将模拟信号转换为数字信号；所述控制模块包括FPGA芯片。

根据本发明优选的，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪的频率范围为1～5MHz，频率越高采集成像的速度就越快，可以高速地采集获取光致发光图像进行检测；积分时间为50μs～500μs。积分时间越长图像越清晰，但速度相对来说会稍微慢一些，这个积分时间范围既足以获得足够清晰的光致发光图像，又对高速采集获取光致发光图像的速度影响很小。

进一步优选的，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪的频率为5MHz，积分时间为50μs。

根据本发明优选的，所述激发光源装置用于发射激光到所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的表面，激发太阳能电池薄膜、晶片及组件发射荧光信号；所述传送扫描装置用于带动所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的运动实现扫描；所述短波红外成像仪用于获取光致发光图像，并将光致发光图像发送至上位机；所述上位机用于接收所述光致发光图像，并对太阳能电池薄膜、晶片及组件的缺陷杂质情况进行分析。便于观察分析太阳能电池薄膜、晶片及组件的各类缺陷情况并确定太阳能电池等级。

根据本发明优选的，所述激发光源装置是指激光器，所述激光器发射的激光的波长的取值范围为800nm～900nm，所述传送扫描装置为传送带；太阳能电池光致发光高速检测系统运行时，将所述太阳能电池薄膜、晶片及组件放在所述传送带上；所述上位机为电脑。

根据本发明优选的，所述传送扫描装置的速度为2～10m/s。

基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统运行方法，具体步骤包括：

(1)将所述太阳能电池薄膜、晶片及组件放置在所述传送扫描装置上，将所述激发光源装置放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件65-75cm处，与太阳能电池薄膜、晶片及组件法线呈30°～60°，并对准所述太阳能电池薄膜、晶片及组件；

(2)所述激发光源装置发射激光到所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的表面，激发太阳能电池薄膜、晶片及组件发射荧光信号；

(3)将所述短波红外成像仪放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件0.8-1.2m处的法线方向上，接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像，并将光致发光图像发送至上位机；

(4)上位机接收到短波红外成像仪发送过来的光致发光图像，并根据太阳能电池缺陷杂质部分跟完好部分灰度值的不同，通过基于灰度值的缺陷杂质识别算法识别光致发光图像中的缺陷杂质部分，并计算缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a，

(5)根据计算得到的缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a，对被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件进行分级：a＜5％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为一级，5％≤a≤10％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为二级，a＞10％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为三级。

本发明的有益效果为：

1、本发明针对的材料范围广，可以检测包括单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒材料在内的太阳能电池薄膜、晶片和组件，可以在太阳能电池生产的任意一个环节检测，效率更高，可以更早地筛选出有杂质缺陷的太阳能电池，进一步节约成本。

2、相比于现在常用的Si-CCD相机，线列扫描InGaAs短波红外成像仪在包括单晶硅、多晶硅、非定型硅、砷化镓和铜铟镓硒材料在内的太阳能电池薄膜、晶片或组件光致发光光谱段内有很高的量子效率，能够以微秒量级的积分时间高速获取光致发光图像，速度远远超出常见Si-CCD相机秒量级积分时间的速度，能更好地对太阳能电池薄膜、晶片或组件实现实时在线检测，提高太阳能电池薄膜、晶片或组件生产的成功率和质量。

3、本发明突破性地将短波红外成像仪应用于太阳能电池检测领域，且选用相对于面阵凝视型InGaAs短波红外成像仪成本极低的线列扫描型InGaAs短波红外成像仪，更适合流水线工作。

4、本发明基于光致发光原理，以光激发太阳能电池自身发光，不会对太阳能电池自身造成影响，可以对太阳能电池无损检测。

5、本发明使用短波红外成像仪，利用反射光成像，物体细节轮廓比较清晰，利于后期的分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为线列扫描InGaAs短波红外成像仪的结构框图。

图3为采集成像电路的框图。

图4为实施例2得到的光致发光图像示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，包括15W的808nm连续激光器、传送带、电脑，还包括线列扫描InGaAs短波红外成像仪，线列扫描InGaAs短波红外成像仪连接电脑，如图1所示。线列扫描InGaAs短波红外成像仪接收10cm×5cm尺寸铜铟镓硒材料太阳能电池薄膜发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像。

对于大多数的太阳能电池来讲一般激发光源激光波长小于900nm时满足光致发光的条件，本实施例选用15W的808nm连续激光器作为激发光源。将该15W的808nm激光器放置在距离太阳能电池薄膜、晶片及小型组件约70cm与其法线方向呈45°角的位置，并对准太阳能电池薄膜、晶片及小型组件，缓慢提高激光器供电电压至可以在电脑中清晰地看到太阳能电池薄膜、晶片及小型组件出现光致发光现象，调节激光器光斑至光斑可完全覆盖太阳能电池薄膜、晶片及组件表面即整块太阳能电池薄膜、晶片及组件出现光致发光现象。

线列扫描InGaAs短波红外成像仪包括依次连接的短波红外镜头、InGaAs短波红外线性器件、采集成像电路。如图2所示，短波红外镜头的焦距为50mm，保证了足够的成像距离；光学系统口径为F1.2，保证了足够的进光量；选用短波红外波段高透的光学玻璃，并镀增透膜。增加了镜头在短波红外波段的透过率；以双高斯形式为初始结构，使用镧系玻璃等高折射率材料补偿色差，以获得更好的成像效果。

InGaAs短波红外线性器件的型号为SITP-NIR-256。上海技术物理研究所制作的SITP-NIR-256型号器件，响应波长900nm-1700nm，共有256个像元，呈一字型排列，像元尺寸50μm×50μm，中心距50μm。

采集成像电路包括短波红外线列探测器接口模块、信号调理模块、A/D转换模块、控制模块和USB模块，短波红外线列探测器接口模块、信号调理模块、A/D转换模块、控制模块依次环形连接，控制模块连接USB模块，短波红外线列探测器接口模块连接InGaAs短波红外线性器件；如图3所示。

时序驱动信号经所述短波红外线列探测器接口模块输入InGaAs短波红外线性器件，InGaAs短波红外线性器件输出信号经短波红外线列探测器接口模块进入信号调理模块；信号调理模块对输入的信号进行差分、滤波和放大，消除信号中的噪声；提高信噪比；A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号；控制模块为所述InGaAs短波红外线性器件提供时序驱动信号驱动其工作，为A/D转换模块提供采集控制信号控制采集速度，接收转换得到的数字信号，将其转换拼接成二维图像，并对图像进行盲元消除、非均匀校正和图像增强处理；提升图像质量；USB模块用于将处理完成的图像高速无损地传输到上位机中进行分析。

线列扫描InGaAs短波红外成像仪在该波段有更高的量子效率，能够以微秒量级的积分时间高速获取光致发光的图像，速度远远超出常见Si-CCD相机秒量级积分时间的速度，一般Si-CCD相机获取一幅光致发光图像需要5～10s的积分时间，而线列扫描InGaAs短波红外成像仪获取一幅光致发光图像需要扫描320列，每列积分时间50μs，总计积分时间16ms，速度几乎是常见Si-CCD的1000倍。相比于面阵凝视型InGaAs短波红外成像仪，线列扫描InGaAs短波红外成像仪成本更低，更适合用于流水线工作。将线列扫描InGaAs短波红外成像仪置于铜铟镓硒太阳能电池薄膜法线方向约1m处并对准太阳能电池薄膜，调节成像仪焦距使之能够对太阳能电池薄膜清晰成像，在808nm连续激光器的激发下即可高速获取铜铟镓硒太阳能电池薄膜光致发光图像并将其发送至电脑。在本实施例中，线列扫描InGaAs短波红外成像仪光敏元尺寸50μm×50μm，256个光敏元呈一字型排列，读出频率5MHz，积分时间50μs，镜头焦距50mm。

铜铟镓硒太阳能电池薄膜光致发光光谱范围约为1000nm～1300nm，峰值约在1130nm，可以轻易被808nm激光激发，且短波红外成像仪在其峰值附近量子效率很高，可以实现高速检测。将铜铟镓硒太阳能电池薄膜放在距短波红外成像仪前约1m处且使其完全处于808nm连续激光器光斑之中。

线列扫描InGaAs短波红外成像仪读出频率位5MHz，积分时间为50μs，传送带的速度为10m/s。

将808nm连续激光器、铜铟镓硒太阳能电池薄膜、传送带、线列扫描InGaAs短波红外成像仪和电脑放置并连接好，给各台仪器上电并驱动他们正常工作，即可在显电脑上看到线列扫描InGaAs短波红外成像仪接收到的光致发光图像，得到被检测太阳能电池薄膜、晶片或组件的缺陷杂质比例和等级信息。

本实施例通过光致发光的原理高速地检测多种材料太阳能电池薄膜、晶片及组件的杂质和缺陷信息，快速无损、实时准确地分析经过各个生产加工环节后的太阳能电池薄膜、晶片及组件的质量，可以有效地优化各生产环节，提高太阳能电池薄膜、晶片及组件生产的成功率和质量。

实施例2

实施例1所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统运行方法，具体步骤包括：

(1)将所述太阳能电池薄膜、晶片及组件放置在所述传送扫描装置上，将所述激发光源装置放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件70cm处，与太阳能电池薄膜、晶片及组件法线呈45°，并对准所述太阳能电池薄膜、晶片及组件；

(2)所述激发光源装置发射激光到所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的表面，激发太阳能电池薄膜、晶片及组件发射荧光信号；

(3)将所述短波红外成像仪放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件1m远处的法线方向上，接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像，如图4所示，并将光致发光图像发送至上位机；

(4)上位机接收到短波红外成像仪发送过来的光致发光图像，并根据太阳能电池缺陷杂质部分跟完好部分灰度值的不同，通过基于灰度值的缺陷杂质识别算法识别光致发光图像中的缺陷杂质部分，并计算缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a＝6.2％；

(5)根据计算得到的缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a，对被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件进行分级：5％≤a≤10％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为二级。

Claims (10)

1.基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，包括激发光源装置、传送扫描装置、上位机，还包括短波红外成像仪，所述短波红外成像仪连接所述上位机，所述短波红外成像仪接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像。

2.根据权利要求1所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述激发光源装置用于发射激光到所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的表面，激发太阳能电池薄膜、晶片及组件发射荧光信号；所述传送扫描装置用于带动所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的运动实现扫描；所述短波红外成像仪用于获取光致发光图像，并将光致发光图像发送至上位机；所述上位机用于接收所述光致发光图像，并对太阳能电池薄膜、晶片及组件的缺陷杂质情况进行分析。

3.根据权利要求1所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述短波红外成像仪为线列扫描InGaAs短波红外成像仪，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪包括依次连接的短波红外镜头、InGaAs短波红外线性器件、采集成像电路。

4.根据权利要求3所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪的频率范围为1～5MHz，积分时间为50μs～500μs；

进一步优选的，所述线列扫描InGaAs短波红外成像仪的频率为5MHz，积分时间为50μs。

5.根据权利要求3所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述采集成像电路包括短波红外线列探测器接口模块、信号调理模块、A/D转换模块、控制模块和USB模块，所述短波红外线列探测器接口模块、所述信号调理模块、所述A/D转换模块、所述控制模块依次环形连接，所述控制模块连接所述USB模块，所述短波红外线列探测器接口模块连接所述InGaAs短波红外线性器件；

时序驱动信号经所述短波红外线列探测器接口模块输入所述InGaAs短波红外线性器件，所述InGaAs短波红外线性器件输出信号经所述短波红外线列探测器接口模块进入所述信号调理模块；所述信号调理模块对输入的信号进行差分、滤波和放大，消除信号中的噪声；所述A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号；所述控制模块为所述InGaAs短波红外线性器件提供时序驱动信号驱动其工作，为所述A/D转换模块提供采集控制信号控制采集速度，接收转换得到的数字信号，将其转换拼接成二维图像，并对图像进行盲元消除、非均匀校正和图像增强处理；所述USB模块用于将处理完成的图像高速无损地传输到上位机中进行分析。

6.根据权利要求5所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述A/D转换模块选用高速并行模数转换器；所述控制模块包括FPGA芯片。

7.根据权利要求3所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述短波红外镜头的焦距为50mm，光学系统口径为F1.2，选用短波红外波段高透的光学玻璃，并镀增透膜。

8.根据权利要求3所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述InGaAs短波红外线性器件的型号为SITP-NIR-256。

9.根据权利要求1所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统，其特征在于，所述激发光源装置是指激光器，所述激光器发射的激光的波长的取值范围为800nm～900nm，所述传送扫描装置为传送带；所述上位机为电脑；所述传送扫描装置的速度为2～10m/s。

10.权利要求1所述的基于短波红外成像仪的太阳能电池光致发光高速检测系统的运行方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)将所述太阳能电池薄膜、晶片及组件放置在所述传送扫描装置上，将所述激发光源装置放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件65-75cm处，与太阳能电池薄膜、晶片及组件法线呈30°～60°，并对准所述太阳能电池薄膜、晶片及组件；

(2)所述激发光源装置发射激光到所述太阳能电池薄膜、晶片及组件的表面，激发太阳能电池薄膜、晶片及组件发射荧光信号；

(3)将所述短波红外成像仪放置在距离所述太阳能电池薄膜、晶片及组件0.8-1.2m处的法线方向上，接收太阳能电池薄膜、晶片及组件发出的荧光信号进行成像，获取光致发光图像，并将光致发光图像发送至上位机；

(4)上位机接收到短波红外成像仪发送过来的光致发光图像，并根据太阳能电池缺陷杂质部分跟完好部分灰度值的不同，通过基于灰度值的缺陷杂质识别算法识别光致发光图像中的缺陷杂质部分，并计算缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a，

(5)根据计算得到的缺陷和杂质在太阳能电池中所占的比例a，对被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件进行分级：a＜5％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为一级，5％≤a≤10％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为二级，a＞10％时，被检测的太阳能电池薄膜、晶片及组件为三级。