基于光致發(fā)光法的硅片、太陽(yáng)能電池在線分揀裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光致發(fā)光法的硅片、太陽(yáng)能電池在線分揀裝置。包括檢測(cè)模組(5)、移動(dòng)滑塊(4)、導(dǎo)軌(6)、電池位置探測(cè)器(3)、光源驅(qū)動(dòng)器(8)和數(shù)據(jù)采集及控制計(jì)算機(jī)(7)。利用多個(gè)安裝在移動(dòng)滑塊(4)上，安裝間距與傳送帶上被檢太陽(yáng)能電池(2)間距相等的檢測(cè)模組(5)，可同時(shí)檢測(cè)多片太陽(yáng)能電池片。利用多個(gè)移動(dòng)滑塊(4)沿電池生產(chǎn)線的傳送帶(1)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使移動(dòng)滑塊(4)分別與傳送帶上的1、2、5、6...或3、4、7、8...號(hào)電池片同步運(yùn)動(dòng)，并在同步期間采集數(shù)據(jù)，根據(jù)電池片的光致發(fā)光亮度和激發(fā)光消失后光致發(fā)光的持續(xù)時(shí)間判斷電池片特性?xún)?yōu)劣。本發(fā)明的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、分揀效率高的特點(diǎn)，特別適用于高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)線。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于光致發(fā)光法的硅片、太陽(yáng)能電池在線分揀裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種硅片、太陽(yáng)能電池檢測(cè)裝置。尤其是一種基于光致發(fā)光法對(duì)硅片、太陽(yáng)能電池進(jìn)行在線快速分揀的檢測(cè)設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量急劇增加。大量化石能源的消耗使空氣質(zhì)量成為影響人們生活品質(zhì)的重要制約因素。減少化石能源使用量的有效方法是普及太陽(yáng)能等清潔能源。因此，太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)在近年取得了飛躍發(fā)展。在太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)過(guò)程中，涉及到切片、制絨、擴(kuò)散、刻蝕、鍍減反膜、電極絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等多道工序。每道工序都有可能損傷硅片，形成次品。因此，如何在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)快速檢測(cè)是光伏產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要問(wèn)題。光致發(fā)光檢測(cè)法是利用光照射光伏電池材料，將材料中的電子激發(fā)到高能級(jí)，高能級(jí)電子向低能級(jí)躍遷發(fā)出光子，產(chǎn)生光致發(fā)光。通過(guò)觀察材料的光致發(fā)光可獲得材料的少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，表面電阻分布，硅片內(nèi)的缺陷等多種信息，是太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量控制的有力工具。光致發(fā)光法無(wú)需電極，而且是完全無(wú)接觸測(cè)量，不會(huì)給被檢電池帶來(lái)任何損傷。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)200910046715.X《太陽(yáng)能電池板裂紋檢測(cè)儀》公開(kāi)了一種利用激光掃描光源所產(chǎn)生的太陽(yáng)能電池光致發(fā)光檢測(cè)太陽(yáng)能電池板裂紋的儀器。由于光致發(fā)光強(qiáng)度僅為激發(fā)光強(qiáng)度的萬(wàn)分之一甚至幾百萬(wàn)分之一，為了獲得清晰的圖像需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，通常為I秒至幾十秒。而目前太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)速度一般為每秒100-200毫米。即使采用最靈敏的CCD器件，曝光時(shí)間減少到I秒，也仍舊無(wú)法適應(yīng)生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。為了滿足檢測(cè)裝置的曝光時(shí)間要求，避免降低整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行速度，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)201180012441.8《用于光伏電池和晶片的光致發(fā)光成像的照射系統(tǒng)和方法》公開(kāi)了一種利用在被測(cè)太陽(yáng)能電池表面產(chǎn)生大于6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照度來(lái)快速檢測(cè)太陽(yáng)能電池特性的方法。但要產(chǎn)生如此高強(qiáng)度的光照需要克服許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)難題，專(zhuān)利本身也沒(méi)有給出具體的實(shí)施技術(shù)方案。
[0003]針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本發(fā)明用單個(gè)光電二極管取代已知方法中所用的CCD攝像頭，將太陽(yáng)能電池表面上發(fā)射的所有光致發(fā)光能量全部集中到一個(gè)光電二極管上，增加信號(hào)強(qiáng)度；用多個(gè)檢測(cè)模組同步跟蹤生產(chǎn)線上的太陽(yáng)能電池片，通過(guò)多檢測(cè)模組交替采樣的方法，用一般強(qiáng)度的激發(fā)光照實(shí)現(xiàn)了在線快速分揀。與已公開(kāi)專(zhuān)利中利用CCD攝像頭檢測(cè)硅片的裂紋等不同，本方法通過(guò)檢測(cè)硅片、太陽(yáng)能電池在相同激發(fā)光照射下的光致發(fā)光亮度和激發(fā)光消失后光致發(fā)光的持續(xù)時(shí)間來(lái)檢測(cè)有缺陷的硅片與太陽(yáng)能電池片。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]光致發(fā)光法檢測(cè)太陽(yáng)能電池特性的基本原理是在太陽(yáng)能電池或硅片表面照射光子能量大于太陽(yáng)能電池帶隙能的光輻射，對(duì)于晶硅太陽(yáng)能電池激光光的波長(zhǎng)一般小于900nm，將半導(dǎo)體材料中的原子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。通過(guò)檢測(cè)原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷所產(chǎn)生的紅外福射來(lái)檢查娃片及太陽(yáng)能電池的質(zhì)量。一般情況下，相同激發(fā)光強(qiáng)所產(chǎn)生的光致發(fā)光越強(qiáng)，激發(fā)光消失后光致發(fā)光持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，表示硅片或太陽(yáng)能電池的性能越好。本發(fā)明旨在提供一種基于光致發(fā)光法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能夠適用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)線用的硅片及太陽(yáng)能電池片分揀裝置。
[0005]為了適應(yīng)連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)線的需要，本發(fā)明采用了多檢測(cè)模組交替同步采集的技術(shù)方案。當(dāng)電池片位置探測(cè)器(3)檢測(cè)到生產(chǎn)線上電池片邊緣出現(xiàn)后，通知計(jì)算機(jī)起動(dòng)移動(dòng)滑塊(4)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)位置探測(cè)器(3)檢測(cè)到的生產(chǎn)線(I)上相鄰兩片電池片出現(xiàn)的時(shí)間差控制移動(dòng)滑塊(4)的移動(dòng)速度，使其與傳送帶上電池片的移動(dòng)速度一致。在保持移動(dòng)滑塊(4)與電池片移動(dòng)速度相同的同時(shí)，計(jì)算機(jī)(7)將根據(jù)移動(dòng)滑塊(4)或?qū)к?6)上的移動(dòng)滑塊(4)的位置傳感器和電池片位置探測(cè)器(3)的信號(hào)，調(diào)整移動(dòng)滑塊(4)與被檢電池片(2)之間的相對(duì)位置，使檢測(cè)模組(5)的中心與被檢電池片(2)的中心一致。位置與速度同步后，計(jì)算機(jī)(7)控制光源驅(qū)動(dòng)器(8)向光源(9)發(fā)出電脈沖，驅(qū)動(dòng)光源(9)閃光。光源(9)所發(fā)射的光脈沖照亮被檢電池(2)并發(fā)出比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的紅外光致發(fā)光。電池(2)發(fā)出的峰值為1050nm的光致發(fā)光穿過(guò)長(zhǎng)波通濾光片(12)后，被聚光透鏡(11)會(huì)聚到對(duì)紅外光敏感的InGaAs光電二極管(10)上轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。而激發(fā)光因波長(zhǎng)比光致發(fā)光短，被長(zhǎng)波通濾光片(12)截止，無(wú)法到達(dá)光電二極管(12)。光電二極管(10)所產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)高速放大電路(13)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后送到計(jì)算機(jī)(7)與所定的模型進(jìn)行比較。在相同激發(fā)強(qiáng)度下，光致發(fā)光亮度高、激發(fā)閃光結(jié)束后光致發(fā)光持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的硅片或太陽(yáng)能電池性能更好。
[0006]為了保證光電二極管(10)所接受的光均來(lái)自被檢電池⑵的光致發(fā)光。被檢電池(2)和光電二極管(10)的位置處在聚光透鏡(11)的一對(duì)光學(xué)共軛面上，即電池(2)上表面被聚光透鏡(11)成像在光電二極管(10)的光敏面上。由聚光透鏡(11)中心到被檢電池⑵上表面的距離I和聚光透鏡(11)中心到光電二極管(10)的距離I’之比1/1’小于被檢電池(2)的邊長(zhǎng)與光電二極管(10)光敏面的邊長(zhǎng)之比。這樣可以保證光電二極管
(10)所接收到的只是電池(2)部分表面的光致發(fā)光，即使檢測(cè)模組(5)和太陽(yáng)能電池(2)之間的位置同步存在一定誤差，仍能保證光電二極管所接收到的信號(hào)全部來(lái)自太陽(yáng)能電池⑵。
[0007]為了便于控制，本發(fā)明采用價(jià)格便宜，使用方便的大功率LED作為激發(fā)光源，光源的峰值波長(zhǎng)可在400-900nm范圍內(nèi)選擇。LED光源本身的響應(yīng)時(shí)間很快，能達(dá)到納秒量級(jí)，為了獲得較快的下降沿，光源的驅(qū)動(dòng)器(8)應(yīng)選用高速開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)具有快速下降沿的光源驅(qū)動(dòng)電脈沖，使所發(fā)出的光為脈沖光，即發(fā)光持續(xù)時(shí)間小于Is,其發(fā)光強(qiáng)度從峰值的90%下降到峰值10%的脈沖下降時(shí)間小于5 μ S。這樣做的目的是能夠測(cè)量比較不同電池片在激發(fā)光消失后，光致發(fā)光的衰減時(shí)間。
[0008]可在同一個(gè)移動(dòng)滑塊(4)上等間距安裝多個(gè)檢測(cè)模組(5)，安裝間距應(yīng)和傳送帶
(I)上相鄰太陽(yáng)能電池片⑵間的間距相同。如果分揀裝置共有兩個(gè)移動(dòng)滑塊(4)，每個(gè)移動(dòng)滑塊上安裝有兩個(gè)檢測(cè)模組(5)，則可通過(guò)計(jì)算機(jī)(7)控制移動(dòng)滑塊(4-1)對(duì)第1，2，5，6…號(hào)電池片同步米樣,而移動(dòng)滑塊(4-2)對(duì)第3,4,7,8…號(hào)電池片同步米樣。同樣，如果安裝有三個(gè)移動(dòng)滑塊(4)，而每個(gè)滑塊僅裝有一個(gè)檢測(cè)模組(5)，則由第一個(gè)移動(dòng)滑塊(4-1)負(fù)責(zé)米集第I，3, 5…號(hào)電池片,第二個(gè)移動(dòng)滑塊(4-2)負(fù)責(zé)米集第2,4,6…號(hào)電池片，以此類(lèi)推。移動(dòng)滑塊(4)可在不采樣的時(shí)間間隔內(nèi)反向移動(dòng)，以便對(duì)下一組電池片同步采樣。
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明的裝置示意圖
[0011]圖2為檢測(cè)模組(5)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0012]圖3為InGaAa光電二極管(10)，聚光透鏡(11)和被測(cè)太陽(yáng)能電池⑵的位置關(guān)系圖

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，用以說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)性能和功能點(diǎn)，但本發(fā)明的具體實(shí)施方案并不僅限于該實(shí)施例。
[0014]圖1為本發(fā)明基于光致發(fā)光法的硅片、太陽(yáng)能電池在線分揀裝置的示意圖:被檢太陽(yáng)能電池(2)吸附在傳送帶(I)上向右連續(xù)移動(dòng)。在移動(dòng)滑塊(4-1)的前方或后方約30-50cm處，傳送帶(I)的固定支架上，太陽(yáng)能電池上方數(shù)厘米處安裝有位置傳感器(3)用于檢測(cè)太陽(yáng)能電池邊緣出現(xiàn)的時(shí)間。傳感器(3)不隨傳送帶移動(dòng)。傳感器(3)可選用藍(lán)光反射傳感器。當(dāng)太陽(yáng)能電池片(2)的邊緣出現(xiàn)在傳感器(3)下方時(shí)，傳感器(3)有信號(hào)輸出。比如，可選用歐姆龍的微小光點(diǎn)/標(biāo)記檢測(cè)用放大器分離光點(diǎn)傳感器。
[0015]在被檢電池片⑵上方約30-60cm處，配備有50_100cm長(zhǎng)的導(dǎo)軌(6)用于支撐移動(dòng)滑塊⑷的移動(dòng)。導(dǎo)軌(6)和移動(dòng)滑塊⑷之間可為滾珠滑動(dòng)，也可為齒輪、齒條或皮帶鏈接。本實(shí)施例采用絲杠、螺母連接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)滑塊(4)在被檢電池(2)上方周期性勻速運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施例所用移動(dòng)滑塊(4)的長(zhǎng)度為20cm，每個(gè)移動(dòng)滑塊(4)上安裝的檢測(cè)模組(5)的數(shù)量為2，兩個(gè)檢測(cè)模組(4)之間的間距調(diào)整為16.5cm，為生產(chǎn)線傳動(dòng)帶(I)上兩個(gè)太陽(yáng)能電池片(2)之間的中心間距。在移動(dòng)滑塊(4)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝有光電編碼盤(pán)或光柵尺等精密位置傳感器，能夠精確確定移動(dòng)滑塊(4)與太陽(yáng)能電池位置傳感器(3)之間的距離，由此可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)模組(5)與太陽(yáng)能電池(2)中心的精確對(duì)準(zhǔn)。移動(dòng)滑塊(4)的移動(dòng)速度可根據(jù)位置探測(cè)器(3)檢測(cè)到的相鄰兩片太陽(yáng)能電池(2)出現(xiàn)的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
[0016]圖2是檢測(cè)模組(5)的結(jié)構(gòu)示意圖。檢測(cè)模組(5)由金屬壁筒，發(fā)光光源(9)，InGaAs光電二極管(10)、聚光透鏡(11)、長(zhǎng)波通濾光片(12)和高速放大電路(13)組成。發(fā)光光源(9)為三個(gè)美國(guó)Cree公司生產(chǎn)的、波長(zhǎng)660nm的紅色3W大功率X-1amp發(fā)光二極管LED。三個(gè)LED以聚光透鏡(11)為中心對(duì)稱(chēng)安裝在金屬壁筒內(nèi)。在驅(qū)動(dòng)電源(8)的驅(qū)動(dòng)下，它所發(fā)出的激發(fā)光均勻照射在被檢硅片或太陽(yáng)能電池表面上。驅(qū)動(dòng)電源(8)的驅(qū)動(dòng)電流可在計(jì)算機(jī)(7)的控制下調(diào)整脈沖寬度和脈沖幅度，最大驅(qū)動(dòng)電流為6A，為了提高驅(qū)動(dòng)電流的下降速率，采用三個(gè)LED分三路分別驅(qū)動(dòng)，每路最大驅(qū)動(dòng)電流2A。硅片或太陽(yáng)能電池受光照激發(fā)后產(chǎn)生的光致發(fā)光透過(guò)濾光片(12)由聚光透鏡(11)會(huì)聚到InGaAa光電二極管(10)上，光電二極管(10)受光照所產(chǎn)生的光電流經(jīng)高速放大電路放大后傳送到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(7)。光電二極管(10)與高速放大電路的組合可選用美國(guó)Thorlabs公司的DETlOC型高速光探測(cè)器，光敏面為0.8mm2，敏感波長(zhǎng)范圍700_1800nm，信號(hào)響應(yīng)上升時(shí)間可達(dá)10ns。驅(qū)動(dòng)電源(8)可輸出連續(xù)恒流或脈沖電流，使LED所發(fā)出的光為脈沖光，發(fā)光持續(xù)時(shí)間小于0.2s，其發(fā)光強(qiáng)度從峰值的90%下降到峰值10%的脈沖下降時(shí)間小于5 μ S。
[0017]圖3為InGaAa光電二極管(10)，聚光透鏡(11)和被測(cè)太陽(yáng)能電池⑵的位置關(guān)系圖。被檢電池(2)和光電二極管(10)處于聚光透鏡(11)的光學(xué)共軛面上，并且由聚光透鏡(11)的中心到被檢電池⑵上表面的距離I和聚光透鏡(11)的中心到光電二極管(10)的距離I’之比1/1’小于被檢電池(2)的邊長(zhǎng)與光電二極管(10)光敏面的邊長(zhǎng)之比。所選光電二極管的光敏面為Φ Imm圓形,其內(nèi)切正方形的邊長(zhǎng)為0.7mm ;被檢太陽(yáng)能電池邊長(zhǎng)為15.6cm，則被檢太陽(yáng)能電池經(jīng)聚光透鏡(11)成像后應(yīng)縮小約156/0.7 = 220倍。我們選用的聚光透鏡(11)為放大倍率40倍的顯微物鏡反向使用，即并非將物體放大40倍，而是將物體縮小40倍成像在光電二極管管光敏面上。由于放大倍率遠(yuǎn)比被檢太陽(yáng)能電池和光電二極管光敏面的比值，檢測(cè)模組只對(duì)被檢電池(2)的部分區(qū)域取樣，即使檢測(cè)模組(5)與被檢電池(2)的位置和速度同步有部分誤差，也能保證檢測(cè)模組(5)所探測(cè)到的信號(hào)是從被檢電池(2)表面所發(fā)射的光致發(fā)光。
【權(quán)利要求】
1.一種硅片、太陽(yáng)能電池在線快速分揀裝置，有安裝了數(shù)據(jù)采集、控制卡的計(jì)算機(jī)(7)，其特征在于:至少兩個(gè)檢測(cè)模組(5)分別安裝在不同的移動(dòng)滑塊(4)上，移動(dòng)滑塊(4)與位于被檢太陽(yáng)能電池(2)正上方的導(dǎo)軌(6)相配合沿傳送帶(I)的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；位置探測(cè)器⑶在太陽(yáng)能電池⑵上方附近用于檢測(cè)太陽(yáng)能電池⑵的邊緣位置，使移動(dòng)滑塊(4)在與傳送帶(I)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)的移動(dòng)速度與傳送帶(I)相同，并通過(guò)計(jì)算機(jī)(7)控制調(diào)整，使檢測(cè)模組(5)的中心與被檢太陽(yáng)能電池(2)的中心對(duì)準(zhǔn)；檢測(cè)模組(5)內(nèi)的發(fā)光光源由光源驅(qū)動(dòng)器(8)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分揀裝置，其特征在于:所述的檢測(cè)模組(5)由激發(fā)光源(9)、InGaAs光電二極管(10)、聚光透鏡(11)、長(zhǎng)波通濾光片(12)和高速放大電路(13)組成；光源(9)所發(fā)出的激發(fā)光均勻照射在被檢硅片或太陽(yáng)能電池表面上，硅片或太陽(yáng)能電池受光照激發(fā)后產(chǎn)生的光致發(fā)光透過(guò)濾光片(12)由聚光透鏡(11)會(huì)聚到InGaAa光電二極管(10)上，光電二極管(10)受光照所產(chǎn)生的光電流經(jīng)高速放大電路(13)放大后傳送到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)模組(5)，其特征在于:被檢太陽(yáng)能電池(2)和光電二極管(10)處于聚光透鏡(11)的一對(duì)光學(xué)共軛面上，并且從聚光透鏡(11)的中心到被檢電池(2)上表面的距離I和聚光透鏡(11)的中心到光電二極管(10)的距離I’之比1/1’小于被檢電池⑵的邊長(zhǎng)與光電二極管(10)光敏面的邊長(zhǎng)之比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激發(fā)光源(9)，其特征在于:光源為波長(zhǎng)小于900nm的大功率單色發(fā)光二極管LED ;光源所發(fā)出的光為脈沖光,光脈沖持續(xù)時(shí)間小于Is,其發(fā)光強(qiáng)度從峰值的90%下降到10%的脈沖下降時(shí)間小于5 μ s ;光電二極管(10)和高速放大電路(13)組合的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間小于50ns。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分揀裝置，其特征在于:同一移動(dòng)滑塊(4)上安裝的多個(gè)檢測(cè)模組(5)之間的安裝間距可調(diào)，并為傳動(dòng)帶(I)上相鄰太陽(yáng)能電池(2)之間中心間距的整數(shù)倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分揀設(shè)備，其特征在于:移動(dòng)滑塊(4)的移動(dòng)速度可根據(jù)位置探測(cè)器(3)檢測(cè)的太陽(yáng)能電池(2)的移動(dòng)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；移動(dòng)滑塊(4)或?qū)к?6)上安裝有移動(dòng)滑塊(4)的位置傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N21/63GK104181130SQ201310192145
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月20日
【發(fā)明者】鄭曉東, 秦文紅, 呂瑋閣, 陳新 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)