一种太阳能硅片在线隐裂检测的装置及方法

杜虎明

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

不论在硅片车间，还是在电池车间，硅片隐裂检出都是一个难点，随着目前光伏行业的竞争加剧，在实现智能化的同时，提高效率和降低成本成为众多光伏企业的共同目标，硅片的薄片化也成降本的大势所趋。硅片越来越薄，在复杂的生产过程以及各工序间的互相传送中极易产生碎片和隐裂。明显的碎片我们肉眼清晰可见，可以直接挑选出来避免进入下一道工序。但隐裂片肉眼不可见，无法直接挑出，隐裂的硅片进入下一道，会造成整个工艺流程不必要的浪费。人工检验无法满足大量检测、自动化和智能化的需求。目前需要一种集成在现有设备上的隐裂检测装置，在检测出隐裂片的同时并将其自动剔除，以实现各厂家智能化的需求。

1 市场分析

隐裂片是完全无法后续再用的硅片，一般都只能把它作为硅料投炉再用，因为用内部存在隐裂的硅片做成电池片后，会产生无效片和低效片，会严重影响电池组件的发电效率。目前硅片裂纹、隐裂大多是依靠人工目视检测，不仅不能检测出小的隐裂、漏检率很高，而且人工检测会对硅片造成玷污、新的隐裂等潜在风险。而另一种新的隐裂检测激光成像系统也会因为碳化硅硬质点和硅片边缘造成误判。因此，新的隐裂检测装置和方法对于减少硅片检测中的漏判、误判，减少继续生产产生的成本显得非常重要。

2 设计需求及定位

目前很多光伏厂家需要一种隐裂装置，可以集成在现有硅片上料设备中，从硅片叠片上料工艺开始检测并将检测出的隐裂片剔除，这样提前检测出的隐裂片可以直接原厂退回降低成本，而且首道工艺剔除出的隐裂片不占用后续工艺资源，大幅提高生产效率。

2.1 现有设备上集成

在现有制绒上料设备中集成该隐裂检测装置需要具备如下条件：安装方便、调试快捷、不占用操作空间，作为一个检测模块可自主选择开启或暂停而不影响工艺流程。

2.2 集成方式创新

该隐裂检测装置既能独立完成检测任务，又能与主机设备的工艺流程、动作流程、操作方式相互配合，增加该装置后不影响原有设备的正常使用，而是作为原有设备的助手，协助其检测出不合格片的同时，并将不合格片自动剔除，实现功能与流程的有机集成。在实现检测过程自动化的同时，可以将检测数据与结果实时反馈给客户，可追溯来料厂家、批次，可跟踪生产工艺，以满足现有光伏厂家智能化工厂的需求。

2.3 经济性

一般硅片厂家会有万分之一隐裂片，将其剔除后返厂可有效降低成本，减少资源浪费，该隐裂检测装置一般在十个月之内收回成本，在市场竞争日趋激烈的情况下，增加一套该装置可以从成品率指标、转化率指标等关键技术数据中显著增加，推荐各光伏企业增加。

3 隐裂检测装置结构设计

3.1 采集图像原理

利用红外光穿透能力强，但无法穿透硅材料的特性。在完整的硅片表面，经过硅片反射后的部分光线可以进入相机，呈较亮色；硅片有隐裂、缺角等，则光线在瑕疵部分会产生漫反射，导致进入相机的光线减少，缺陷部分呈暗色。利用这些特性及自主开发的检测算法将隐裂片、缺陷片检出。

3.2 图像处理原理

图像的频域可以表征图像灰度变化剧烈程度，是灰度在平面空间上的梯度。且频域遵循如下规则：

1) 引起图像质量下降的噪声占频谱的高频段；

2) 图像边缘占高频段；

3) 图像主体或灰度缓变区域占低频段。

利用裂痕、瑕疵在频域中的特性，制作相应的滤光器，在空间域内选出瑕疵所在。

3.3 检测装置模型设计

强光照射运动中的硅片，上方相机将该硅片拍摄，并与预先记录的完整硅片的数据进行对比，从而判断出所拍摄硅片的不同之处，经过算法判定该硅片是否属于隐裂片，整个过程要在0.2秒内完成。

硅片隐裂检测中构建如图1的检测装置模型，皮带5为两段皮带，转速相同处于运动状态，硅片4在皮带5上沿方向7传送，光源3持续照射，透过挡光板2将光线打在硅片4上，反光板6反射光线，两者为相机1拍摄完整的硅片提供光线。

3.4 检测装置结构设计

结合光伏厂家上料设备实际，根据隐裂检测功能原理及构建的检测装置模型，设计出如图2的隐裂检测装置，主要由7部分组成。

1) 拍照相机1垂直安装于待检测硅片上方，可以实现上下调节、前后微调、沿相机镜头轴向方向±5度微调，保证相机在获取图像时清晰、完整。

2) 光源2沿垂直方向倾斜安装，沿倾斜方向可以调节，沿硅片水平方向实现±10度微调，用于配合挡光板3达到光线最佳照射的状态。

3) 挡光板3在相机获取图像时起到关键的作用，垂直方向与硅片保持2 mm距离，而且可以实现沿相机镜头轴向±3度微调。与光源2的光线相切之处需要经过专门的细磨工艺处理。挡光板透光处若太光滑会反射光源光线，减弱成像效果，若太粗糙会使光线有纹理，导致图像不清晰。

4) 硅片4沿传送皮带5从里向外传送，传送速度根据工艺要求相互匹配，一般需要大于0.2秒/片，以满足相机获取图像、数据处理、判断是否为隐裂片多个流程。但同时也需要保证生产实际。

5) 传送皮带5在相机正下方需要有30 mm的开口，以保证通过的硅片完全处于无障碍成像状态，避免有皮带的影响导致皮带处出现隐裂在成像中不能清晰反应，导致漏检或误检。

6) 反光板6在调节硅片成像明暗程度起到关键作用，其材质为黑色压克力板，用于吸收透过硅片的光线，而最小范围内将光线反射回去，反光板的倾斜角度要保证在传送皮带的缺口处可以实现调节。

7) 骨架7为铝型材搭建的龙门结构，底板通过螺孔可以安装于自动上料设备台面上，尺寸能兼容常规上料设备传送部分，龙门高度在800mm左右，用于适应相机采集图像的聚焦距离。各部件安装在型材上便于调节，装拆方便、调试过程中可以在要求范围内任意调节。

1.相机；2.挡光板；3.光源；4.硅片；5.皮带；6.反光板；7.皮带运动方向

1.相机；2.光源；3.挡光板；4.硅片；5.皮带；6.反光板；7.骨架

3.5 实际检测效果

目前将该隐裂检测装置已集成于客户现场上料设备中，经过现场安装调试，初步实现了该装置的批量化应用，现场呈现给客户的是实时的硅片图像，自动剔除的隐裂片，经过后台数据处理，将隐裂硅片的数据储存和传送给客户数据端，满足客户智能生产要求。图3为实时呈现给客户隐裂片图片，并对隐裂位置做了标识。

图3 检测出的隐裂片

4 结论

将同一批次硅片分为等同数量的两批，同时在硅片上料设备进行上料工艺操作，将一批包括隐裂、碎片等缺陷的硅片进行人工检测，将另一批硅片用上述隐裂检测装置进行隐裂、碎片等检测，然后将两批检测后的硅片在同一条电池生产线上进行太阳能电池生产，并实时记录每道电池生产工艺的碎片数量，在实验结束后进行隐裂检测率、继续生产碎片率及高漏电率等各技术指标对比。统计结果如图4所示。

从以上现场实时数据对比可知：通过本文隐裂检测装置可以提高前段工艺隐裂检测准确率、更多更精确地检测出实际隐裂硅片，从而降低继续生产流程中的隐裂片对后续工艺流程中电池片性能和组件的潜在风险，并有效提高电池片整体电性能表现和降低整体运营成本。

图4 技术指标对比曲线

随着531新政的发布，光伏制造业将会迎来专业化时代，光伏产业竞争将越来越激烈，提高效率和降低成本更成为整个行业的目标。随着硅片的薄片化发展，一方面，硅片的价格及生产线运营成本大大降低，而另一方面，硅片薄片化也带来如碎片、隐裂等问题，限制了电池片的光电转化效率和使用寿命，影响了组件乃至系统的稳定性。同时对太阳能硅片的整线检测也提出越来越高的要求。如何让检测结果倒逼原材料生产及流程，使之产生更优质的可替代品将会是未来光伏行业新的契机。