JPWO2010092665A1 - 光発電セル検査装置 - Google Patents

Abstract

光発電セルの微細なクラックを画像データから確実に検出する。光発電セルにストレスを与え、ストレスが与えられる前と後の両者の光発電セルを撮像し、これら両者の画像データの差分に基づいて欠陥の有無を判定する。

Description

本発明は、微細なクラックの有無を確実に検知できる光発電セル検査装置に関する。

シリコンを主材料とする光電変換セルを複数電気的に接続してパネル状とした光発電モジュールが知られている。この光発電セル及び光発電モジュールは、動作（出力）検査が困難で、かつ未だ開発段階にあるため、一般的に高コストとなっている。

上記検査の手法としては、例えば太陽光の変わりとなる光源を用いて光電変換出力を評価する手法（手法１）、電子線やレーザビームを用いて誘起される電流や電圧を測定する手法、が一般的に用いられている（手法２）。

また、発光ダイオードに用いられるガリウムヒ素系単結晶半導体からなる光発電モジュールが開発され、この光発電モジュールに関しては、発光ダイオードと同様に、順方向にバイアスすることでエレクトロルミネセンスを生じ、これを観察することで検査する手法も提案されている（手法３）。

ところが、上記手法１及び手法２は検査における評価方法が複雑であり、また、特に手法１は（製品となる）光発電モジュール全体の出力を評価するから、光発電セル個別の評価が行われるわけではない。さらに、手法３は、現状最も普及しているシリコン系材料を用いた光発電セルにおいて採用できない。

そこで、以下の特許文献１には、大型の設備を要することなく、簡便かつ正確に光発電セル（及び光発電モジュール）の光電変換性能について評価することができる手法が提案されている。
再公表ＷＯ２００６／０５９６１５号公報

特許文献１は、単結晶、多結晶、の少なくとも一方の半導体シリコンに対して順方向電流を注入した際、室温下の通常のキャリア注入条件においてもエレクトロルミネセンスが観測される点と、その発光強度が少数キャリアの拡散長の分布と１対１で対応している点とに基づいて、次のように検査する点を主要な特徴としている。

すなわち、特許文献１は、シリコン半導体を主要部材として構成された光発電セルに対して、順方向に直流電流を導入して発光させ、該セルの発光特性により評価する、という手法である。

ところで、最近では、シリコン系材料を用いた光発電セルの厚さがしだいに薄くなってきている。こうした状況にあって、光発電モジュールは、製造段階において接触などによりその面に微細な疵（以下、マイクロクラックという）が発生する。

このマイクロクラックは、そのままで光発電セル自体の製造及び出荷段階されることもあるほど検出が困難である。そして、マイクロクラックが生じている光発電セルは、例えば光発電モジュールを構成する際、組み立て時に些細な歪みや撓みなどの外的な力を受ける（以下、これらをストレスという）と、マイクロクラックが成長し、光発電モジュール全体が使用不可能となる場合がある。

特許文献１における手法では、エレクトロルミネセンスが生じた光発電セルを撮像して得た画像データを解析することでクラックを発見する。しかし、画像データ中には、いわゆるデータノイズが多数含まれているほか、マイクロクラックを見付けようとするとかなりの倍率でデータを拡大するなどする必要があるうえ、それがマイクロクラックかノイズかを判別することが困難であった。

解決しようとする問題点は、光発電セルにエレクトロルミネセンスを生じさせて撮像した画像データにおいてマイクロクラックとノイズを判別することが極めて困難で、誤検知が多発する点である。

本発明の光発電セル検査装置は、光発電セルにストレスを与えるためのストレス付与部と、前記ストレス付与部によるストレスが与えられる前と後の両者の光発電セルを撮像する撮像部と、この撮像部で得た両者の画像データの差分に基づいて欠陥の有無を判定する処理部とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の光発電セル検査装置は、ストレス付与部により光発電セルにストレスを与えて存在しているマイクロクラックを成長させ、ストレスが与えられる前後の画像データの差分に基づいて欠陥の有無を判定するから、存在自体が微細でかつ画像データ中のノイズと混同して判別が困難なマイクロクラックの有無を確実に判別することが可能となるという利点がある。

図１は本発明の光発電セル検査装置の構成を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ矢視図、である（実施例１）。 図２は本発明の光発電セル検査装置の構成を示すブロック図である（実施例１）。 図３は本発明の光発電セル検査装置の他の構成を示す図である（実施例１）。 図４は本発明の光発電セル検査装置の構成を示す図である（実施例２）。 図５はマイクロクラック検査状況を示す図である（実施例２）。 図６は本発明の光発電セル検査装置を用いた他の構成を示す図である（実施例３）。

符号の説明

１ （光発電セル）検査装置
２ ストレス付与部
３ 距離センサ
４ 支持部
４Ａ 固定支持部
４Ｂ 追従支持部
５ カメラ
１１Ｃ画像処理部
１１Ｄ判別部

画像処理技術を用いた場合におけるマイクロクラックとノイズを判別して誤検知を抑制するという目的を、ストレス付与部によるストレスが与えられる前と後の両者の光発電セルを撮像し、両者の画像データの差分に基づいて欠陥の有無を判定することで実現した。

図１〜図３には、本発明の光発電セル検査装置１（以下、検査装置１と記す）に関する実施例１の態様を示している。検査装置１は、その主材料を特に限定しないが、本例では例えば現状最も普及しているシリコンを主原料とした、例えば矩形の光発電セルＣ（以下、セルＣと記す）の疵、特にマイクロクラックの有無を検査するものである。

２は、セルＣの中央上方から、設置面へ向けて該セルＣを押圧するストレス付与部である。ストレス付与部２は、上記のとおり、セルＣの上方から設置面に向けて押圧するものであり、図１に示す構成ではサーボモータ２ａと、このサーボモータ２ａと共に下方へ移動してセルＣに接触して押圧するプレスヘッド２ｂとからなる。また、プレスヘッド２ｂにはロードセル２ｃが設けられている。

ロードセル２ｃは、プレスヘッド２ｂによる押圧力を測定している。ロードセル２ｃによる測定データは、後述の制御部１１（ストレス算出部１１Ａ）へ、サーボモータ２ａの駆動制御のためにフィードバックされる。

一方、図３に示すストレス付与部２は、図１のセルＣに接触するタイプとは異なり、非接触にて押圧するタイプのものである。図３に示すストレス付与部２は、サーボモータ２ａと共にセルＣに接触する直前まで下方へ移動して、その位置にて所定圧力の空気を噴射する圧空ノズル２ｃを有している。

ストレス付与部２は、図３の他、正常なセルＣを損傷することのない程度の外力によって、例えばセルＣに接触又は非接触にて、叩く、弾く、などの手法によりストレスが付与されるならば特に限定しない。

なお、本例におけるストレス付与部２は、セルＣの中央上方と、この中央部位を退避した位置との間で、制御部１１の切換部１１Ｃにより、後述のカメラ５と共に移動可能な構成とされている。

３は、セルＣにおいて、ストレス付与部２がセルＣを押圧する部位の裏面側に本例では例えば接触して設けられた距離センサである。この距離センサ３は、制御部１１のストレス検知部１１Ｂと接続している。距離センサ３は、ストレス付与部２により未だ押圧されていない状態を基準とし、押圧された際のセルＣの撓み量を検知する。距離センサ３は、本例では接触式にしているが非接触式であってもよい。

すなわち、検査装置１は、（本例ではロードセル２ｃと）距離センサ３により、マイクロクラック等の欠陥が発生していないセルＣを損傷させることなく検査に必要な程度に該セルＣにストレスを与えることができるのである。

４は、セルＣの隅部を載置する支持部である。この支持部４は、本例においては、矩形のセルＣの対角位置に設けられた、固定支持部４Ａ（図示ハッチング付）と追従支持部４Ｂとからなる。

固定支持部４Ａは、設置面に対して固定であり、ストレス付与部２によるセルＣの撓みに追従しない。一方、追従支持部４Ｂは、ストレス付与部２から設置面方向にセルＣを押圧した場合には、この撓みに追従して設置面方向に沈むように高さが変更する。

支持部４は、固定支持部４Ａのみで構成しても構わないが、特に、追従支持部４Ｂを設けていることで、セルＣを撓みやすくさせることができると共に、ストレス付与部２による損傷を抑制することができる。

５は、本例の場合は、セルＣの中央上方において、ストレス付与部２と交代で移動する撮像部としてのカメラである。すなわち、カメラ５は、ストレス付与部２によるストレスが与えられる前と後のセルＣを撮像する。

上記が、セルＣ周辺に設けられる検査装置１の構成であり、図２には検査装置１全体の構成を示している。図２において、検査装置１は、全体が処理部としての制御部１１により制御されるように構成されている。

制御部１１には、ストレス付与部２と接続し、該ストレス付与部２におけるストレス量、すなわち押圧力などを算出するストレス算出部１１Ａを有している。また、制御部１１には、距離センサ３と接続し、上記のようにセルＣの撓み量を検知するストレス検知部１１Ｂを有している。

さらに、制御部１１には、カメラ５で撮像した、ストレス付与前とストレス付与後の両画像データを照合処理し、これら画像データの差分処理を行う画像処理部１１Ｃを設けている。また、制御部１１には、この画像処理部１１Ｃの差分処理の結果に基づいて、マイクロクラックの有無を判別する判別部１１Ｃを有している。なお、１１Ｅは、ストレス付与部２とカメラ５との位置の切換を制御する切換部である。

上記構成の検査装置１は、実施例１においては、次のようにしてマイクロクラックの有無を判別する。実施例１では、セルＣを加熱してその熱量分布の度合いから判別する手法を採用する。このとき、カメラ５は赤外線カメラを用い、画像処理部１１Ｃにて処理した赤外線画像データに基づいてマイクロクラックの有無の判別が行われる。

実施例１では、セルＣを加熱し、その後、カメラ５により、ストレス付与前の赤外線画像データＡを得る。続いて、切換部１１Ｅによって、カメラ５をセルＣの中央上方から退避させると共に、ストレス付与部２をセルＣの中央上方に位置させる。

そして、ストレス付与部２を作動させ、セルＣを損傷させることのない程度に撓ませる。このとき、セルＣにマイクロクラックが存在するならば、クラックは成長する。一方、セルＣにマイクロクラックが存在しないならば、何ら損傷しない。

ストレス付与部２によりセルＣを押圧してストレスを付与した後、該ストレス付与部２が再度退避すると共に、再度カメラ５がセルＣの中央上方に位置する。そして、カメラ５により、ストレス付与後の赤外線画像データＢを得る。

赤外線画像データＡ，Ｂは、画像処理部１１Ｃに入力され、ここで画像データが照合され、赤外線画像データＢと赤外線画像データＡの差分処理を行う。すなわち赤外線画像データＢにはストレス付与によって存在するとすれば成長したマイクロクラックが映っている。

赤外線画像データＢからストレス付与前の赤外線画像データＡを差し引くことで、赤外線画像データＡに元々映っていたノイズと（存在する場合の）マイクロクラックが除去される。すると、差分画像データには、存在するとした場合には成長したマイクロクラックのみが残ることとなる。もちろん、存在しないならば、差分画像データ上には何も残らない。

判別部１１Ｄは、この差分画像データ上に、何らかの像の存在が有ると判断した場合、今、検査したセルＣには、マイクロクラックが存在するものとして不良品判別を行う。もちろん、何も存在しない場合は、良品判別を行う。

このように、本発明の検査装置１であれば、例えノイズが多い状況下にあっても、ストレスを付与し、ストレス付与前後の画像データの差分を取るから、極めて微細なマイクロクラックの有無を確実に行うことができる。

図４に示す実施例２は、上記実施例１おけるセルＣを加熱する検査手法に代えて、特許文献１で提案されている、セルＣに電流を導入してエレクトロルミネセンスを生じさせる手法（以下、ＥＬ法という）による検査手法とした。

検査装置１は、実施例１の構成に加えて、暗室６、プローブ７、シート８、電源９、を備えている。暗室６は、セルＣの発光状態をカメラ５により撮像しやすくするためのものである。実施例１の構成のうち制御部１１を除く構成は暗室６内に設けられる。

プローブ７は、セルＣの表面側に接続されると共に電源９のマイナス極に接続された対をなす櫛状とされたものである。このプローブ７は、櫛の歯の１つがセルＣの電極の１つに対応している。

シート８は、セルＣの裏面側に接触するように設けられると共に電源９のプラス極に接続されている。また、シート８は、実施例２の場合、固定支持部４Ａ及び追従支持部４Ｂに載置されている。よって、セルＣは、このシート８上に載置することで支持部４に支持されることとなる。

ＥＬ法によってセルＣを発光させる原理及びその詳細な手法や条件はここでは割愛するが、本発明の検査装置１における実施例２においては、次のようにしてマイクロクラックの有無を検査する。

暗室６内において、電源９からプローブ７及びシート８を介してセルＣに電流を導入する。そして、ストレス付与前に発光させたセルＣをカメラ５にて撮像し、図５（ａ）に示すような画像データＡを得る。その後、ストレス付与部２によりセルＣにストレスを付与する。なお、このストレス付与時においては、セルＣは発光させていなくてもよい。

ストレス付与後に、再度同じ条件でセルＣを発光させて、カメラ５にて撮像し、図５（ｂ）に示すような画像データＢを得る。そして、画像データＡ，Ｂは、画像処理部１１Ｃに入力され、ここで画像データが照合され、画像データＢと画像データＡの差分処理を行う。

画像データＢからストレス付与前の画像データＡを差し引くことで、図５（ｃ）に示すような画像データが得られる。すなわち、画像データＡに元々映っていたノイズと（存在する場合の）マイクロクラックが除去される。すると、差分画像データには、存在するとした場合には成長したマイクロクラックのみが残り、存在しない場合には何も残らない。

判別部１１Ｄは、この差分画像データ上に、何らかの像の存在が有ると判断した場合、今、検査したセルＣには、マイクロクラックが存在するものとして不良品判別を行う。もちろん、何も存在しない場合は、良品判別を行う。このように、実施例２の検査装置１であっても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

図６に示す実施例３は、上記実施例１及び２では、同一箇所にてストレス付与とストレス付与前後の撮像を行っていた構成に代えて、セルＣを上流から下流へと搬送する過程で、これらを行って、最終的に良品と不良品とを分別するように構成している。

すなわち、実施例３は、セルＣを間欠的に載置して順次上流から下流へと搬送する搬送部１０を有している。この搬送部１０は、ベルトコンベアでなり、搬送経路の途中部位にストレス付与部２が設けられている。

そして、搬送部１０は、ストレス付与部２が設けられて位置を中心に、上流側１０Ａと下流側１０Ｂとに分断されている。上流側１０Ａと渦流側１０Ｂの互いに対向する端部には、セルＣを支持部４（固定支持部４Ａ及び追従支持部４Ｂ）に個別に載置する載置コンベア１０ａ，１０ｂが各々設けられている。

また、上流側１０Ａにおけるストレス付与部２が設けられた部位直前と、下流側１０Ｂにおけるストレス付与部２が設けられた部位直後とには、各々カメラ５（第１の撮像部）とカメラ５（第２の撮像部）が設けられている。

さらに、下流側１０Ｂにおいて、ストレス付与後のセルＣを撮像するカメラ５が設けられた位置の下流には、不良品と判別されたセルＣを不良品回収経路に送るための分別部１０Ｃが設けられている。この分別部１０Ｃは、図２における判別部１１Ｄからの信号によって制御されている。また、実施例３では、図２に示す制御部１１の構成における切換部１１Ｅは不要である。

実施例３においては、実施例１と同じくセルＣを加熱し、これを赤外線撮像用のカメラ５で撮像するものとして、以下、検査手順を説明する。なお、このとき、上流側１０Ａのカメラ５の直前（上流）には、加熱手段を設けているが図示は省略している。

順次送られるセルＣは、上流側１０Ａから、順に、加熱され、直後にカメラ５にて撮像され（赤外線画像データＡ）、ストレス付与部２の位置に送られると、ここでストレスが付与される。

ストレスが付与された後、セルＣは、下流側１０Ｂに移行してカメラ５にて撮像され（赤外線画像データＢ）、下流側１０Ｂの搬送中に、赤外線画像データＢ及びＡに基づいてマイクロクラックの有無が判別される。

マイクロクラックが有ると判断された不良品のセルＣは、制御部１１の判別部１１Ｄの制御に基づいて分別部１０Ｃの作動によって、回収経路に分別される。一方、マイクロクラックが無いと判断された良品のセルＣは。分別部１０Ｃが作動しないので、そのまま下流側１０Ｂのさらに下流の、良品回収部、こん包、組み立て、などの工程へ搬送される。

実施例３であれば、実施例１の作用効果に加え、カメラ５とストレス付与部２の切換の時間を短縮できるので、短時間でかつ大量のすなわち効率よくマイクロクラックの検査が可能になる。したがって、セルＣひいては光発電モジュールやパネルの低廉化に寄与できる。

ストレス付与前後の画像データによりマイクロクラックの有無を判別するから、カメラによる撮像状況に左右されずに検査が可能である。よって、屋内外を問わず、様々な状況下でも適用できる。

Claims (4)

1. 光発電セルの欠陥を検出する光発電セル検査装置において、光発電セルにストレスを与えるためのストレス付与部と、前記ストレス付与部によるストレスが与えられる前と後の両者の光発電セルを撮像する撮像部と、この撮像部で得た両者の画像データの差分に基づいて欠陥の有無を判定する処理部とを備えたことを特徴とする光発電セル検査装置。
2. 光発電セルの隅部に設けられ、固定的に支持する固定支持部と、ストレス付与部による光発電セルのストレス付与方向に追従して支持する追従支持部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の光発電セル検査装置。
3. ストレス付与部による光発電セルに対するストレス量を検知するストレス検知部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光発電セル検査装置。
4. 光発電セルを間欠的に載置して順次上流から下流へと搬送する搬送部を有し、この搬送部の上流側から順に、第１の撮像部、ストレス付与部、第２の撮像部、とを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光発電セル検査装置。

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