CN112304904B - 基于滤波阵列的硅片反射率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其包括以下步骤：将需检测的硅片放入密闭的箱体内；光源采用漫反射的方式对箱体内的硅片进行打光；采用相机对箱体内的硅片进行拍照获得图片，所述相机包括滤波阵列和感光元件，通过合理制定滤波阵列，用灰度来表征反射率，在一次测量中就可以得到多个波段的反射率信息，免去了光源切换不同波段的繁琐；利用感光元件的原理，用灰度值来表征样品反射的光子数，可以快速得到硅片各个局部区域的反射率信息，符合生产线上快速高效测量反射率的要求；同时，所需硬件配置简单，工作可靠性高，无需光源波段切换的控制系统和模拟太阳光谱的光源，成本较低，易于广泛推广应用。

Description

基于滤波阵列的硅片反射率检测方法

技术领域

本发明涉及硅片反射率检测方法技术领域，特别涉及一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，以光电效应工作的硅基太阳能电池为主流。硅基太阳能电池的制备过程中，硅片的处理和检测非常重要。例如，使用不同的工艺方法，多晶硅硅片表面不同晶向会出现反射率的差异，外观上会出现晶花现象，如果晶花严重，就会严重影响太阳能电池的外观及成品率，从而影响太阳能电池的光电转换效率和成本。因此，有必要对硅片，特别是对硅片的反射率进行检测。

反射率的值直接表征了硅片的陷光能力，常规测硅片反射率是用积分球的方式测样品在不同波段下的反射率，然后根据太阳光谱在各个波段的比重求得一个加权和的反射率，这种方法的缺点在于检测面积小，并不能很好地表征整个硅片的反射率，而且单个样品测量周期长，不适合生产线上的大量反射率测试任务。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其包括以下步骤：

(1)将需检测的硅片放入密闭的箱体内；

(2)光源采用漫反射的方式对箱体内的硅片进行打光，所述光源的光谱能够覆盖硅片反射率测量所需300～1100nm波段的80％以上；

(3)采用相机对箱体内的硅片进行拍照获得图片，所述相机包括滤波阵列和感光元件，所述滤波阵列使用能够覆盖300～110nm波段至少60％的滤波色块排列，其中每个滤波色块的大小是感光元件每个感光单元大小的n^2(n≥1)倍；

(4)感光元件接受到的响应区的光子转换为电子，在不过曝的前提下，转换得到的电子数与灰度值有一一对应关系，用灰度值来表征对应硅片各个区域反射的被相机接受到的光子数；滤波阵列使得每个感光单元只接受到特定波段的光子，每个感光单元转换的电子及给出的灰度值对应于特定的波段，在一次测量中就可以得到多个波段的反射率信息，即获得硅片各个局部区域的反射率值。

作为本发明的一种改进，所述步骤4具体包括以下步骤：

(4.1)将以滤波阵列的重复感光单元中滤波色块个数为a；把滤波阵列的最小重复感光单元定义为图片像素；

(4.2)图片像素中的每个滤波色块透过的光波段分别为λi(i∈[1,a])，得到图片上对应区域的灰度值为Gi(i∈[1,a])；

(4.3)根据反射率的意义和感光元件成像的原理，该图片像素对应的硅片区域在λi(i∈[1,a])波段上的反射率用Ci×Gi(i∈[1,a])来表示，其中Ci(i∈[1,a])均为待定常数；

(4.4)对应区域的反射率即为Σαi×Ci×Gi(i∈[1,a],Σαi＝1)，其中αi为λi附近波段在太阳光谱中所占比重，是一个固定的常数；为此，该图片像素对应的硅片区域的反射率为Σβi×Gi(i∈[1,a])，其中βi(i∈[1,a])为待定常数，用已知反射率的标准样片进行标定。

作为本发明的一种改进，用一个图片像素大小区域中不同波段滤波色块所表征出的相应波段的反射率来近似代表该像素大小区域在相应波段的反射率，该图片像素大小的区域总反射率通过相应波段反射率的加权和求得。

作为本发明的一种改进，所述箱体的箱壁不透光，且涂有高反白漆。

作为本发明的一种改进，所述光源为氙灯和卤素灯相组合。

作为本发明的一种改进，所述感光元件为CCD或CMOS

本发明的有益效果为：本发明合理制定滤波阵列，用灰度来表征反射率，在一次测量中就可以得到多个波段的反射率信息，免去了光源切换不同波段的繁琐；利用感光元件的原理，用灰度值来表征样品反射的光子数，可以快速得到硅片各个局部区域的反射率信息，符合生产线上快速高效测量反射率的要求；同时，本检测方法易于实现，硬件配置简单，工作可靠性高，没有光源波段切换的控制系统，也不需要使用模拟太阳光谱的光源，成本较低，易于广泛推广应用。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明中硬件部件的结构示意图。

图2为本发明中相机部分的原理示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例提供的一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其包括硬件部分及算法部分，其中硬件部分主要由箱体1、光源2和相机3组成。在密闭遮光的箱体1中，用固定光源打光，通过给硅片4拍照的方式，结合算法来表征样品反射率。箱体1的特征在于密闭、内壁白色、不透光。光源2特征在于其光谱能够覆盖硅片反射率测量所需300～1100nm波段的80％，且光源2采用漫反射的方式进行打光；相机3由滤波阵列和感光元件两个主要的组成部分，感光元件可以采用CCD或CMOS，其中滤波整列的设计是相机的重点，此处所用的滤波阵列不是常规彩色相机所用的RGGB排列，而是使用能够覆盖300～110nm波段至少60％的滤波色块排列(这里不限制滤波阵列的重复感光单元中色块的个数，每个重复感光单元中色块的个数越多，300～1100nm波段就分得越细)。其中每个滤波色块的大小是感光元件每个感光单元大小的n^2(n≥1)倍。

算法部分，下面以滤波阵列的重复感光单元中色块个数为a的情况为例，做后续的算法说明。把滤波阵列的最小重复单元定义为图片像素，图片像素中的每个滤波色块透过的光波段分别为λi(i∈[1,a])的邻域，得到图片上对应区域的灰度值为Gi(i∈[1,a])，根据反射率的意义和感光元件成像的原理，该图片像素对应的硅片区域在λi(i∈[1,a])邻域波段上的反射率可以用Ci×Gi(i∈[1,a])来表示，其中Ci(i∈[1,a])均为待定常数，最后，该硅片区域的反射率即为Σαi×Ci×Gi(i∈[1,a],Σαi＝1)，其中αi为λi邻域波段在太阳光谱中所占比重，是一个固定的常数，所以最终该图片像素对应的硅片区域的反射率可以写为Σβi×Gi(i∈[1,a])，其中βi(i∈[1,a])为待定常数可以用已知反射率的标准样片进行标定。根据上述算法就可以得到硅片每个图片像素大小区域的反射率值，而整个硅片的反射率值只需要对每个区域反射率求和取平均值即可。

以上算法针对一个吸收的光子只产生一对电子空穴对的太阳能电池体系，也是目前市面上绝大多数的情况。对于单一高能光子能够产生多对电子空穴对的新型太阳能电池体系，只需要提高相应波段反射率的权重β即可，或者是使用相同体系的标准样片进行标定。

相机3中的感光元件就是光电传感器，它可以把接受到的响应区的光子转换为电子，在不过曝的前提下，转换得到的电子数与灰度值有一一对应关系，从而可以用灰度值来表征对应硅片区域反射的被相机接受到的光子数。

合理定制滤波阵列，使得每个感光单元只接受到特定波段的光子，其转换的电子及给出的灰度值对应于特定的波段，从而可以用灰度值来表征对应硅片区域在特定波长下的放射率。用一个图片像素大小区域中不同波段滤波色块所表征出的相应波段的反射率来近似代表该像素大小区域在相应波段的反射率，该图片像素大小的区域总反射率则可通过相应波段反射率的加权和求得，而整个样品的反射率则是所有硅片区域反射率的均值。

具体实施中，使用铝合金制成的箱体1，该箱体1的内壁涂有高反白漆，光源2采用氙灯和卤素灯混合光源，可以很好的覆盖反射率测量所需波段。

所述滤波阵列中的每个重复单元采用四个不同波段的滤波色块，透过波段分别在λ1＝400nm、λ2＝600nm、λ3＝800nm、λ4＝1000nm附近，感光元件采用常见的响应波段在350～1100的工业CCD。

参见图1，用光源2打光给硅片4，然后通过相机3拍照。以得到的图片中某一个图片像素为例，参见图2所示，该图片像素中的四个小像素灰度值为G1、G2、G3、G4，分别对应于λ1、λ2、λ3、λ4四个波段附近，则该图片像素对应硅片区域在λ1、λ2、λ3、λ4四个波段附近的反射率可以分别表示为C1×G1、C2×G2、C3×G3、C4×G4，由于光源、CCD、四个波段都是固定的，所以C1、C2、C3、C4是四个固定的常数，用四个已知反射率的标片，重复上述过程即可标定出该四个常数的值。

本实施例中，是用四个波段来代替测量300～1100nm波段，其它实施例中，还可以用九个、十二个或其他的组合来代表300～1100nm波段，分的波段越多，整个硅片测试得到的反射率谱线越细致，但这都不会增加本方法测量所需时间，只是会影响样品局部小区域的反射率表征，但是整个样品的反射率表征则会更加细致准确。具体检测过程中，根据所需进行选择。

本发明方法在一次测量中就可以得到多个波段的反射率信息，免去了光源切换不同波段的繁琐；利用感光元件的原理，用灰度值来表征样品反射的光子数，可以快速得到硅片各个局部区域的反射率信息，检测速度快。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)将需检测的硅片放入密闭的箱体内；

(2)光源采用漫反射的方式对箱体内的硅片进行打光，所述光源的光谱覆盖硅片反射率测量所需300～1100nm波段的80％以上；

(3)采用相机对箱体内的硅片进行拍照获得图片，所述相机包括滤波阵列和感光元件，所述滤波阵列使用能够覆盖300～1100nm波段至少60％的滤波色块排列，其中每个滤波色块的大小是感光元件每个感光单元大小的n^2倍，n≥1；

(4)感光元件接受到的响应区的光子转换为电子，在不过曝的前提下，转换得到的电子数与灰度值有一一对应关系，用灰度值来表征对应硅片各个区域反射的被相机接受到的光子数；滤波阵列使得每个感光单元只接受到特定波段的光子，每个感光单元转换的电子及给出的灰度值对应于特定的波段，在一次测量中就可以得到多个波段的反射率信息，即获得硅片各个局部区域的反射率值；

所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)将以滤波阵列的重复感光单元中滤波色块个数为a；把滤波阵列的最小重复感光单元定义为图片像素；

(4.2)图片像素中的每个滤波色块透过的光波段分别为λi的邻域，i∈[1,a]，得到图片上对应区域的灰度值为Gi，i∈[1,a]；

(4.3)根据反射率的意义和感光元件成像的原理，该图片像素对应的硅片区域在λi邻域波段上的反射率可以用Ci×Gi来表示，其中Ci均为待定常数，i∈[1,a]；

(4.4)对应区域的反射率即为Σαi×Ci×Gi，i∈[1,a],Σαi＝1，其中αi为λi邻域波段在太阳光谱中所占比重，是一个固定的常数；为此，该图片像素对应的硅片区域的反射率为Σβi×Gi，其中βi为待定常数，i∈[1,a]，可以用已知反射率的标准样片进行标定。

2.根据权利要求1所述的基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其特征在于：用一个图片像素大小区域中不同波段滤波色块所表征出的相应波段的反射率来近似代表该像素大小区域在相应波段的反射率，该图片像素大小的区域总反射率通过相应波段反射率的加权和求得。

3.根据权利要求1或2所述的基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其特征在于：所述箱体的箱壁不透光，且涂有高反白漆。

4.根据权利要求1或2所述的基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其特征在于：所述光源为氙灯和卤素灯相组合。

5.根据权利要求1或2所述的基于滤波阵列的硅片反射率检测方法，其特征在于：所述感光元件为CCD或CMOS。