一种太阳能电池片的质量检测方法及其检测装置与流程

本发明涉及光伏领域，具体涉及一种太阳能电池片的质量检测方法及其检测装置。

背景技术：

随着化石能源的不断减少和环境恶化的不断加剧，以太阳能为代表的可再生能源的发展受到越来越多的重视。太阳能电池是一种基于光伏效应，将太阳能转化成电能的器件，它具有可靠性高、寿命长、无污染等优点，可做人造卫星、航标灯、晶体管收音机等的电源。以使用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池等。其中，硅太阳电池是发展较快且更为成熟的一类太阳电池，在目前的产业化太阳电池中，晶硅太阳电池所占比例近90%。

太阳能电池的生产需要相当多的工序,为了得到更高效率和更长使用寿命的太阳电池，对太阳电池的检测又是其中必不可少的一道工序。随着全球光伏产业的快速成长，对太阳能电池的质量检测也提出了更高的要求，其质量检测主要可分为电性能测试与表面质量检测。目前，绝大多数的太阳能电池生产厂家还是采用人工的方式进行表面质量检测，依赖作业人员的视觉判断，因此也带来了许多检测问题，同时产品质量很难得到保证。此外，人工检测时间短、对缺陷判定上易落入主观看法而无法建立标准。

目前，对太阳电池检测方法的研究很多，主要包括电镜扫描（sem）、光致发光扫描（pl）、电致发光扫描（el）、反射率测量、i-v特性测试。其中，i-v特性测试主要检测电池片的电学性能，电镜扫描（sem）、光致发光扫描（pl）和电致发光扫描（el）用于电池片的缺陷检测，可检测出电池片的隐裂、断栅等情况，但上述方法不能得到深层次的结构信息，也无法检测栅线电极的尺寸和电池片陷光能力等参数，通常需要配合反射率等其他检测方法来进行电池片质量评价且很难实现在线实时检测。电致发光扫描（el）为接触性检测，易对电池片造成损伤，如专利文件（申请号cn201110104821.6）中公开了一种太阳能电池片电致发光缺陷检测与iv检测一体化系统，主要包括用于固定电池片的探针夹持机构、iv检测系统、el检测系统以及电路转换装置等机构，结构较为复杂，虽改进为只需用探针夹电池片一次，但仍会对电池片造成损伤且无法实现较为全面的检测。专利文件（申请号201410265102.6）公开了一种太阳电池片在线质量检测方法，其应用多个光源、多个成像单元以及翻转机构来实现在线检测，结构相对复杂，且在检测时需将电池片翻转，不能检测除缺陷外的其他参数。此外，电镜扫描（sem）检测时需对电池片样品进行处理，且检测成本较高，不适于工业化应用。由于硅太阳能电池易碎，因此更适合采用非接触检测，目前尚没有一种较为全面的非接触检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的之一就是提供一种太阳能电池片的质量检测方法，以解决现有检测方法对电池片具有破坏性、高成本或者不能得到深度方向信息的问题。

本发明的目的之二就是提供一种太阳能电池片的质量检测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种太阳能电池片的质量检测方法，包括以下步骤：

一、利用检测装置对待测电池片进行扫描，得到电池片的oct三维图像；所述检测装置包括oct检测系统，所述oct检测系统采用硅片不能吸收的近红外光源；

二、对所得oct三维图像进行观察或处理得到电池片的质量参数：

（a）获得电池片的缺陷、杂质参数：纯净的晶体硅在图像中是透明的，但缺陷和杂质会引起散射或吸收而呈现为亮斑或亮线，通过直接观察获得电池片的缺陷、杂质参数；

（b）获得电池片的厚度、曲翘度及电池栅极参数：由oct三维图像观察电池片的上下表面结构，直接得到电池片表面蒸镀和断栅情况；

通过边界微分算子得到硅片的上下表面位置，并根据像素得到硅片在oct三维图像上的高度值h1，再由硅片在红外波段的折射率n得到硅片的厚度h=h1/n，根据硅片的厚度并通过比例尺得到相邻两条栅线电极的间距以及每条栅线电极的宽度和高度；

根据硅片的上下表面位置得其中心面位置，然后根据像素求得沿水平方向不同区域中心面间的最大垂直距离即为电池片的曲翘度。

（c）获得电池片陷光能力参数：将电池片的oct三维图像沿深度方向进行平均，得到纵向的一维平均光强值，用电池片上表面的光强值来表征电池片的陷光能力，电池片上表面的光强值与电池片的陷光能力成反比。

所述获得电池片的缺陷参数包括获得电池片的表面和内部隐裂情况信息。

在检测电池片陷光能力时，对原硅片、制绒片、扩散片和蒸镀减反射膜后的晶片进行检测，得到不同工艺阶段的电池片的陷光能力。

一种太阳能电池片的质量检测装置，包括oct测量探头、oct集成系统以及计算机；

所述oct测量探头与oct集成系统相连，oct测量探头包含自聚焦扫描透镜并采用硅片不能吸收的近红外光源，oct测量探头用于对电池片进行激光扫描；

所述oct集成系统分别与oct测量探头和计算机相连，用于采集经由oct测量探头传入的电池片的后散射光，并将得到的干涉光信号转换为电信号传输至计算机；

所述计算机对输入的电信号进行处理得到电池片的扫描图像，并对图像进行处理得到电池片的质量参数信息。

所述检测装置安装于电池片生产线上，对电池片质量进行在线实时检测。

本发明检测方法利用oct系统，并采用近红外光源，可实现对太阳能电池片的无接触、无损伤在线实时检测，检测时，只需探头对电池片进行扫描，不会对电池片造成损坏，且操作简单，易于实现。其次，通过检测不同深度层面的背向散射信号，不仅可以得到表面信息，同时还可以得到待测物深度方向的信息，对电池片内部的缺陷、杂质具有良好的检测效果。再次，通过特殊的光源设计和图像处理方法，不仅使检测项目易于观察，且可检测电池片的外观特征、缺陷位置、厚度、栅线电极尺寸以及电池片陷光能力等信息，使得检测更加全面，只靠单一检测方法和装置就能实现多项参数的检测，大大降低了检测成本，同时可检测生产线各阶段的半成品质量，为各工艺流程生产提供参考指标。

本发明检测装置结构简单，可以配置在电池片生产线进行实时成像，价格低，在实际生产线中有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明检测装置的结构示意图。

图2为应用本发明检测装置所采集的电池片的三维图像。

图3为下表面上有隐裂的电池片的三维图像。

图4为内部有隐裂的电池片的三维图像。

图5为有内部杂质的电池片的三维图像。

图6为检测电池片曲翘度的示意图。

图7为各阶段电池片半成品的光强信号与深度关系图。

图8为红外光谱仪测得的各阶段电池片半成品的反射率图。

具体实施方式

如图1所示，本发明检测装置的结构包括oct测量探头103、计算机102以及oct集成系统10。其中，oct测量探头103和计算机102分别与oct集成系统101相连接，oct测量探头103包含有自聚焦扫描透镜，oct测量探头103通过自聚焦扫描透镜对太阳电池片104进行激光扫描，经由太阳电池片的后向散射光通过oct测量探头103由oct集成系统101采集，oct集成系统101将得到的干涉光信号转换为电信号传输至计算机102进行分析处理，最后得到被扫描物体的图像数据。图2是利用检测装置扫描电池片104成品得到的三维图像，检测装置光源的中心波长为近红外波段，硅片对于该波段的光不吸收，也就是说在这个波长的光下，硅片表现出透明的特性，由图2可以清楚地看到太阳电池片的上下两个表面，而硅片内部表现出透明特性。

利用上述检测装置对待测电池片进行扫描，得到电池片的oct三维图像；然后对所得oct三维图像进行观察或处理可得到太阳能电池片三个方面的质量参数，具体检测和处理说明如下：

一、实现对电池片的缺陷、杂质的检测

纯净的晶体硅在三维图像上应该是透明的，但缺陷和杂质会引起散射或吸收，呈现出亮斑或亮线，从而在图像上显现出来。在生产过程中，一些外力的作用会对硅片造成不同程度的伤害，轻微的碰撞可能会形成隐裂而不易察觉，本发明可轻易的检测到电池片的隐裂以及内部杂质和缺陷信息，且易于观察。图3为下表面有隐裂的电池片的三维图像，由图中可清晰的看出电池片下表面上有两条交叉的亮线，可分辨出隐裂的位置和具体形状，图4为内部有隐裂的电池片的三维图像，由图中也可清楚地看出其具体形状和位置。图5为有内部杂质的电池片的三维图像，可以清晰地看到位于电池内部的一个杂质缺陷。如果电池内部为均匀硅介质，在图像上应该是透明不可见的，但在电池内部出现亮斑，说明亮斑处发生光的散射，证明此处不是均匀的硅介质。

二、实现对电池片厚度、曲翘度以及电池栅极的检测

从图1中可以清楚地看到太阳电池的上下两个表面，而硅片内部表现出透明特性，因此可直接观察表面的栅线电极以及其蒸镀的情况，判断有无断栅情况。依据扫描所设置的参数和太阳电池在红外波段的折射率，可以得出太阳电池的厚度，同时可得到相邻两条栅线电极的间距，以及每条电极的宽度和高度。通过边界微分算子可找到硅片的上下表面位置，然后根据像素大小得出硅片在三维图像上的高度值h1，然后再由硅片在红外波段的折射率n得到硅片的厚度h=h1/n。再根据硅片厚度并通过比例尺，可以得出相邻栅线电极的间距，以及每条栅线电极的高度和宽度，从而更好的判断其电极的蒸镀情况。

硅片沿水平方向不同区域的中心面最大垂直距离差定义为曲翘度，根据硅片的上下表面位置可得其中心面位置，然后根据像素求得沿水平方向不同区域中心面间的最大垂直距离。如图6所示为硅片沿水平方向两个不同位置的oct图像，其中心面分别为h1和h2，h1与h2的距离为13个像素点，每个像素点尺寸为5微米，则曲翘度为丨h1-h2丨=65微米。

三、实现对电池片陷光能力的检测

三维图像中电池片表面的光强度信号与被检测电池片的后向散射光成正比，而后向散射光与电池片的陷光能力成反比，因此可通过电池片上表面光强度值来评价其陷光能力。

晶体硅太阳电池的生产步骤主要包括：清洗制绒，扩散制结，边缘刻蚀，减反射膜沉积，蒸镀电极。其工艺目的是减小电池片表面的反射率，增强陷光能力，从而提高电池的光电转换效率。通常情况下，对电池片表面反射率影响较大的主要步骤有制绒和减反射膜沉积等。将本发明装置安装于电池片生产线上，可实现对电池片的在线实时检测，如利用本发明对各阶段太阳电池半成品进行在线扫描，得到不同制备阶段电池片表面的光强值，进而得到其陷光能力来评价太阳能电池生产不同工艺流程的好坏。主要的操作步骤如下：

1）在相同测试环境下，采用检测装置分别扫描原硅片、制绒片、扩散片和蒸镀减反射膜后的晶片；

2）将得到的oct三维图像进行表面对齐；

3）将三维图像中的所有a-scan沿深度方向进行平均，得到纵向的一维平均光强信号；

4）由步骤3）可以计算得到各阶段电池片的上表面光强值（用于表征其陷光能力）。如图7所示，可以明显地看出不同电池片的陷光能力差别，同时利用目前较成熟的检测技术手段（红外光谱仪）测得上述样品的反射率，如图8所示，由图可知，利用本发明检测方法与现有技术测试结果一致。由于不同工艺流程对硅片处理的主要目的是为了提高其陷光能力从而提高电池效率，因此可通过本发明检测方法检测各阶段电池片的陷光能力来评价太阳能电池生产不同工艺流程的好坏，不仅方便快捷，且结果可靠。