PL技术应用于太阳能电池片缺陷检测

潘扬杰　周宇欣　袁彪　张远鸿

摘 要：21世纪以来，全球光伏产业迅猛发展。太阳能作为新型清洁能源被广泛运用，但在光电池的生产过程中有许多质量问题，严重影响系统的稳定性。为此，在生产过程中需要用极短的时间完成对产品的连续检测。目前主流检测手段有两种，分别为电致发光检测和光致发光检测，其中，光致发光检测更适合于生产流水线中的快速检测，拥有巨大的市场潜力，将在未来几年中逐渐成为光电池检测的一个重要手段。文章将全面介绍光致发光检测的背景、原理、研发现状以及技术应用前景。

关键词：光电池;检测;光致发光

1    光电池检测

近年来，国内光伏生产企业如雨后春笋般涌现，在全国各地形成了不少光伏产业生产基地。在激烈的市场竞争中，光伏产品的质量成为企业竞争过程中的一项关键指标。在光电池的生产过程中，由于原材料要求严苛、加工工序繁多，容易在生产过程中产生光电池碎裂、隐裂、电极不良、表面污染等许多质量问题。这些由于产品原材料和加工过程中所产生的问题严重影响光电池的光电转换效率和光电池的正常使用寿命。若存在质量问题的光电池流入市场应用于光伏发电系统，将严重影响系统的稳定性，甚至造成生产安全事故。作为光电池生产企业，做好产品质量把控，提高产品质量，降低客户使用过程中的故障率是提高产品市场竞争利力一个重要手段。光电池采用流水线生产模式，生产连续、速度极快，因此要求产品质量检测在生产过程中用极短的时间完成对产品的连续检测。目前主流检测手段有两种，分别为电致发光检测（Electroluminescent，EL）和光致发光检测（Photoluminescence，PL）。相较于电致发光检测，光致发光检测属于非接触式无损检测，检测过程中不会造成二次伤害，得到的检测图像由于没有探针遮挡干扰，较为纯净，更利于通过图像识别发现存在的缺陷，更适合于生产流水线中的快速检测，拥有巨大的市场潜力，将在未来几年中逐渐成为光电池检测的重要手段。

2    光致发光检测技术研发现状

2.1  国外研发现状

国外在光致发光检测技术领域起步较早，光致发光技术最早应用于日光灯等发光电器，通过灯管内气体放电产生的紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光，因其发光效率远高于一般的电致发光，在生活中得到了广泛应用。光致发光技术作为一种探测材料电子结构的方法，率先应用于材料检测，后因其无接触、高效率的特点也逐步应用于工业产品品质的检测。2005年，澳大利亚新南威尔士大学就开展了将光致发光技术应用于太阳能电池缺陷检测的研究并申请了相关专利。此后，大量外国高校涉足光致发光技术在电池检测方面的研究，不断优化现有的软件算法并应用于产品缺陷的识别和检测。国外BT Image等公司也相继开发出了基于光致发光技术的量产化检测设备，并将该项技术应用于实际生产和检测。

2.2  国内研发现状

国内在光致发光应用于检测的领域起步较晚，受制于国外有关企业的技术垄断和专利保护，早年间并未取得较大的突破。2005年，武汉大学开展了光致发光技术在材料检测上的技术研究，而近年来随着我国综合国力提升，相关产业逐步完善，相关技术实力提升，市场需求也日益增加。国内部分研究机构和企业在光致发光应用于太阳能电池检测领域有了突破性进展。以上海太阳能工程技术研究中心为首的相关企业联合国内高校共同研究，陆续开发了一系列国产PL检测设备并向市场推广。一部分国内电池生产企业将国产PL检测设备应用于实际产品生产之中，标志着我国相关企业在太阳能电池检测方面开始了对外国先进技术设备的学习和追赶。未来我国企业将努力进一步缩小与国外先进設备技术的差距，抢占更多的市场份额。

3    太阳能电池产品的缺陷检测原理概述

3.1  硬件原理概述

通过光致发光技术进行太阳能电池的缺陷检测是一种非接触式光学影像检测手段，属于透视的二维化平面检测。检测的硬件环节主要过程包括：激光照射、电子激发、图像采集。在检测时，由红外高功率单色激光发射器发射红外激光，通过透镜后照射在被测电池板表面，由于激光携带的部分能量被太阳能电池中的硅晶体吸收，造成硅片中部分原子的外围电子发生能级跃迁，其电子轨道由较低能级跃迁至较高能级，由基态转变为激发态。此时的电子处于亚稳定状态，难以在长时间处于激发态，将自发跃迁回到最低能级的基态。在这一过程中将释放其在受激发过程中吸收的能量，其释放的能量将主要以光子形式向外辐射。由于太阳能电池存在缺陷处参杂浓度和晶体排列与正常区域存在较大差别，因此，在均匀激光辐照激发时，所激发出的光子能量也与正常情况存在20%左右的差距。通过专业的工业红外相机采集太阳能电池的激发图像，通过该图像即可清晰分辨出该电池存在的缺陷。在正常情况下，太阳能电池的激发亮度与该处的少子密度成正比，若图像中出现明显亮斑，则表示该处少子密度较大，电池片内复合较少，反之若图像上出现部分点线面的阴影区域，则表示该处为少子的强复合点，是缺陷存在的明显特征。通过光致发光检测的硬件平台可以较为准确和快速地判断和分析出该被测太阳能电池块所存在的缺陷及缺陷的种类和位置，在实际工业生产中将为企业实现对太阳能电池产品的缺陷检测提供可靠的硬件基础。

3.2  软件原理概述

图像处理的软件平台有很多，如Cascade R-CNN，Halcon，Faster R-CNN等。在进行图像处理前，先利用光致发光原理制成的检测设备进行扫描，初步得到缺陷图像。再进行图像预处理，其目的是消除噪声、光线以及电池片表面物理结构对缺陷检测的影响。具体处理步骤有图像滤波、图像加强、和图像分割等，处理后可得到原图像中的电池片区域。然后利用算法进行图像处理，可以选择利用软件平台自带的算子处理，若针对特定缺陷没有合适的算子，可自主设计算法。常见的图像处理算法有图像隐裂、图像划伤、块状缺陷等。最后进行缺陷特征提取，常见的有几何特征、灰度特征、纹理特征等，检测原理示意如图1所示。

4    PL技术应用及前景

4.1  PL技术应用

在以往的太阳能电池片缺陷检测中，EL检测是主要的技术手段，在光伏产业上有着广泛的应用，能对电池片的诸多缺陷如隐裂、断线、断栅、履带印等进行有效的检测。PL技术作为近年来新开发的检测技术，不仅能对电池片的大多数缺陷进行有效的检测，还能检测出EL技术难以检测的缺陷，如结晶缺陷和金属污染。即使在同一种缺陷下，PL技术的检测力度也较强。另外，在PL技术集成检测设备中，软件的数据分析功能强，如灰度拉伸、彩色处理、缺陷分布统计、缺陷面积统计等。

4.2  范围

在进行硅片加工前，通过初步筛选剔除一些有物理缺陷的硅片。普通的检测技术只能对硅片表面进行初步检测，剔除一些有明显缺陷的硅片，其内部结构通常无法有效检测。PL技术全方位、无死角的特性可以有效解决这一问题，从而在一定程度上降低了企业的生产成本。在电池片的生产过程中，光致发光检测技术不仅能够检测太阳能电池片成品的各种缺陷，在控制电池片生产加工质量中同样能有效应用。一般电池片的加工过程分为硅片检测、表面制绒及酸洗、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀及酸洗、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结等，其中少子寿命是反映電池片质量的重要参数。PL检测技术可以定量分析加工过程中各因素对少子寿命的影响，通过大量的检测分析，建立缺陷量化的科学依据。同时，可以利用检测设备生成硅片少子寿命图、IV曲线、串联电阻图、电池电流电压输出图、电池效率图、多晶单晶硅片详细缺陷分析图等。PL技术在硅片加工前、加工过程当中以及硅片成品的检测中，都起着主要的作用，实现了太阳能电池片检测全覆盖。此外不仅在硅片检测上，硅锭、电池半成品、电池成品、小型组件上也能有效应用。

4.3  前景

相比发展较为成熟的EL技术，PL技术仍在快速发展中。它的一些特性如检测速度快、性价比高、检测缺陷种类多、适用范围广将决定其将来在光伏产业中的地位。除此之外，在原材料控制质量、工艺过程控制提升以及缺陷定量检测方面的应用将带来一场创新性工业改革。目前，国内PL检测设备已经抢占了一定的市场份额，同时，已有一部分企业率先将新型设备应用于光电池生产过程。得益于该技术，2019年我国太阳能电池产量增长26.8%，技术成熟之后，这一数据将会进一步增大，我国新型能源的开发与应用也将上一个台阶。

5    结语

PL技术作为近年来发展起来的新型太阳能电池片无损检测技术，大幅度提高了太阳能电池片的生产效率。从国内外的研究现状来看，该项技术仍有提升的空间，国内外已经相继占有了一部分市场份额。从其技术原理和应用范围来看，电池片的原材料质量、加工过程工艺质量控制、成品的比例都有了提升。这些特性也将给我国光伏产业带来广泛的发展前景，促进新型能源的飞速发展。

基金项目：江苏大学2019年大学生实践创新训练计划项目（201910299512X）

作者简介：潘扬杰（1999— ），男，江西抚州人，本科生;研究方向：测控技术与仪器。