基于el圖像的硅電池缺陷檢測(cè)方法

1硅電池微膠囊的檢測(cè)方法作為一種溫和的能源代表，太陽電池在許多領(lǐng)域廣泛傳播。目前應(yīng)用最普遍的硅太陽電池,在使用過程中出現(xiàn)了一個(gè)不可忽視的問題,即電池片中的裂縫、晶界錯(cuò)位和斷柵等微小缺陷影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命,缺陷嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使電池組件喪失工作能力。因此,在生產(chǎn)過程中快速準(zhǔn)確檢測(cè)出硅電池中的微小缺陷成為必要。檢測(cè)太陽電池內(nèi)部缺陷的常用手段有接觸電阻掃描、近紅外掃描、熱成像、光致發(fā)光(PL)法和激光誘導(dǎo)電流(LBIC)法等。最近,提出了一種用硅電池電致發(fā)光(EL)特性進(jìn)行電池性能檢測(cè)的方法。其中,Wurfel等人從多晶硅電池片的PL和EL圖得出發(fā)光亮度與少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系,并指出EL強(qiáng)度隨所加電壓變化不大;Fuyuki等人通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了硅電池發(fā)光亮度與少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并分析了EL亮度與電池性能的關(guān)系。本文定量計(jì)算了硅太陽電池EL強(qiáng)度與少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從理論指出通過硅電池EL圖像檢測(cè)電池缺陷的可行性。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行各類缺陷的檢測(cè),并且用數(shù)字圖像處理的相關(guān)算法成功地對(duì)圖像中的裂紋進(jìn)行了識(shí)別。2將p區(qū)和空穴注入n區(qū)平衡P-N結(jié)中,存在著具有一定寬度和勢(shì)壘高度的勢(shì)壘區(qū),其中相應(yīng)地出現(xiàn)了內(nèi)建電場(chǎng),每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流互相抵消,沒有靜電流通過P-N結(jié),相應(yīng)的在P-N結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處處相等,如圖1(a)所示。當(dāng)給太陽電池加一正向偏壓,勢(shì)壘便降低,勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)也相應(yīng)減弱。這樣繼續(xù)發(fā)生載流子的擴(kuò)散,即電子由n區(qū)注入p區(qū),同時(shí)空穴由p區(qū)注入到n區(qū),如圖1(b)所示。這些進(jìn)入p區(qū)的電子和進(jìn)入n區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子。在實(shí)際電池的P-N結(jié)中,擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度。因此電子和空穴通過勢(shì)壘區(qū)時(shí)因復(fù)合而消失的概率很小,繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。這樣P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子,這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合(輻射復(fù)合)而發(fā)光,這就是太陽電池的EL理論。3el強(qiáng)度與擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系3.1輻射復(fù)合光子生成率計(jì)算公式將硅電池片簡(jiǎn)化成厚為d的理想P-N結(jié),圖2所示為正向偏壓下的模型。理想P-N結(jié)滿足:1)小注入條件;2)突變耗盡層條件。因此,注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),穩(wěn)態(tài)時(shí)p區(qū)注入的電子滿足擴(kuò)散方程Dn=d2n(x)dx2=n(x)τn(1)因?yàn)閿U(kuò)散長(zhǎng)度為L(zhǎng)n=√Dnτn(2)所以式(1)可改寫為d2n(x)dx2=n(x)L2n(3)求得通解為n(x)=Aexp(-xLn)+Bexp(xLn)(4)式中:Dn是擴(kuò)散系數(shù);τn是少子壽命;A和B是待定系數(shù)。由邊界條件計(jì)算A和B:1)由理想P-N結(jié)模型可知,耗盡層外的p區(qū)和n區(qū)是中性的,外加偏壓V下理想突變P-N結(jié)位于x=0的注入電子濃度為n(0)=np0exp(eVkBΤ)(5)式中:np0是本征載流子濃度和受主濃度的比值;kB是波爾茲曼常數(shù);T是絕對(duì)溫度;e是電子電量。把x=0代入式(4)得n(0)=A+B(6)2)由于電池處于正向偏壓下,由p區(qū)注入的少數(shù)載流子將在n區(qū)末端(x=d)全部引出,則n(d)=Aexp(-dLn)+Bexp(dLn)=0(7)由式(4)、(5)和(6)可解得A=n(0)/[1-exp(-2dLn)](8)B=n(0)/[1-exp(-2dLn)](9)穩(wěn)態(tài)時(shí),輻射復(fù)合光子生成率是指在P-N結(jié)內(nèi)某一處,由于注入而產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)中輻射復(fù)合產(chǎn)生的單位能量dE(E=hv)的光子率。計(jì)算公式為R(x?E)=2πh3c2α(E)E2exp{[E-ΔU(x)]/kBΤ}-1(10)其中:E是生成光子的能量;α(E)是吸收系數(shù);ΔU(x)是x處的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí);h是普朗克常量;c是光速。又因?yàn)棣=qV(x)(11)x處的少數(shù)載流子濃度為n(x)=np0exp(qV(x)kBΤ)(12)并且E-ΔU?kBT,所以光子生成率R可改寫為R(x?E)=2πh3c2α(E)E2exp(-EkBΤ)n(x)np0(13)將式(4)、(5)和(6)代入式(13)可得R(x?E)=2πh3c2α(E)E2exp(-EΚΤ)exp(qVΚΤ)·[e(-xLn)1-e(-2dLn)+e(xLn)1-e(2dLn)](14)3.2材料擴(kuò)散長(zhǎng)度的el強(qiáng)度的計(jì)算對(duì)于某一特定波長(zhǎng)的輻射復(fù)合光,式(14)中2πh3c2α(E)E2exp(-EΚΤ)exp(qVΚΤ)是一個(gè)常量,假設(shè)為C,于是光子生成率公式簡(jiǎn)化為R(x)=C[e(-xLn)1-e(-2dLn)+e(xLn)1-e(2dLn)](15)可見,輻射復(fù)合光子生成率只與電池片縱向位置x有關(guān)。忽略對(duì)輻射復(fù)合生成光子的重吸收(極少量),對(duì)式(15)電池片在厚(縱向)為d范圍內(nèi)進(jìn)行積分,所得結(jié)果作為硅電池片EL強(qiáng)度Td的度量,有Τd(Ln)=Ln[exp((d/Ln)-1)]2exp(2d/Ln)-1C(16)式(16)表明,一定厚的硅電池片EL強(qiáng)度只與材料的擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)。用Matlab對(duì)式(16)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到電池片EL強(qiáng)度與材料擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。由圖3可得,0～80μm范圍內(nèi)EL強(qiáng)度與擴(kuò)散長(zhǎng)度的關(guān)系近似為線性;80～300μm范圍內(nèi)明顯構(gòu)不成線性關(guān)系;在0～300μm的模擬范圍內(nèi),EL強(qiáng)度隨著擴(kuò)散長(zhǎng)度的增加而增加;普通的硅太陽電池厚一般大于150μm,因此符合第2種(非線性)關(guān)系。本文結(jié)論與文獻(xiàn)得出的太陽電池EL強(qiáng)度和擴(kuò)散長(zhǎng)度成正比關(guān)系(如圖4所示)的結(jié)論有差別。文獻(xiàn)僅僅是通過實(shí)驗(yàn)取點(diǎn)后進(jìn)行直線擬合,而圖4中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)比較分散,并非明顯呈直線分布,直接進(jìn)行直線擬合主觀性太強(qiáng)。4晶硅材料的缺陷分析從以上的計(jì)算分析來看,硅電池EL強(qiáng)度與材料的擴(kuò)散長(zhǎng)度成單調(diào)遞增關(guān)系,即電池片某位置注入少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度越長(zhǎng),EL亮度越亮,反之越暗。由式(2)可得,少子壽命與EL亮度也有同樣的關(guān)系。硅電池中的微小缺陷可分為兩大類:一是用于制造電池的硅材料中存在高密度的錯(cuò)位和雜質(zhì)沉淀;二是硅電池片生產(chǎn)、封裝和使用過程中由于外部應(yīng)力和局部高溫造成的隱裂、顯裂和斷柵等缺陷。對(duì)于第1類缺陷,晶體硅中的晶格錯(cuò)位會(huì)引入受主能級(jí),形成深能級(jí)中心,影響少子壽命;雜質(zhì)原子本身或者通過與晶格錯(cuò)位相互作用,形成少數(shù)載流子的復(fù)合中心,也可大大降低少子壽命。由上面分析可知,硅電池中有第1類缺陷的地方EL亮度會(huì)減弱;對(duì)于第2類缺陷,在硅電池中有裂紋和斷柵的地方,電子很難注入P-N結(jié),因此無法形成復(fù)合發(fā)光。以上分析可見,硅電池中有缺陷的地方,在其EL二維圖上會(huì)以不同亮度和不同形狀的暗斑和暗紋顯示出來。5作為cd捕收劑的電池el圖像硅太陽電池EL光譜在900～1400nm間,處于近紅外波段,如圖5所示。因此,要求捕捉硅電池EL圖像的CCD響應(yīng)光譜中應(yīng)含有此波段。此外,電池EL亮度很弱,要盡量減少可見光對(duì)拍攝的影響。5.1近紅外光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。使用INFINITY3-1型近紅外制冷CCD相機(jī),光譜相應(yīng)范圍是400～1000nm,鏡頭前加裝截止頻率為670nm的紅外濾鏡。因此,硅電池PL譜中900～1000nm的近紅外光可以被CCD捕捉。暗箱可以減少可見光的干擾。5.2電池片的制備實(shí)驗(yàn)所用樣品有5cm×5cm單晶硅電池片、5cm×5cm多晶硅電池片以及1.2cm×6cm高質(zhì)多晶硅電池片。實(shí)驗(yàn)前,用酒精棉球擦拭硅電池片表面,以清除污垢的影響;在電池片的P極和N極上焊接導(dǎo)線,并分別接直流電源的正、負(fù)極。5.3結(jié)果與分析5.3.1相關(guān)系數(shù)并有明顯的暗紋如表1單晶硅片中雜質(zhì)沉淀、晶界錯(cuò)位等缺陷很少,因此裂紋會(huì)在EL圖上明顯顯示。由圖7可見,(a)中左上角有一條明顯的暗紋;而(b)相應(yīng)位置卻沒有看到明顯裂紋。由此可以判定是一條隱裂,如果不盡早檢測(cè)出,電池片后續(xù)的生產(chǎn)使用過程中會(huì)逐漸發(fā)展成顯裂,導(dǎo)致左上角電池片破碎。5.3.2晶體電池多晶硅片具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)和高濃度的雜質(zhì)(如O、C及過渡金屬鐵等),影響少子壽命(擴(kuò)散長(zhǎng)度),因此EL圖也較復(fù)雜。1有一個(gè)裂縫由圖8可見,(a)可見光圖箭頭所示位置的裂紋,在(b)EL圖相應(yīng)位置明顯顯示出。2b為施加外壓碎電池一如圖9所示,(a)為一塊完整的多晶硅電池片EL圖;(b)為施加外力壓碎電池一角,在(a)虛線框?qū)?yīng)的位置出現(xiàn)一條暗紋。說明外加應(yīng)力使電池片出現(xiàn)隱裂,并且在EL圖上顯示出。3副柵線斷裂時(shí)電池片大面積斷路由圖10可見,(a)電池片EL圖像明顯分為明暗兩個(gè)區(qū)域;從(b)可見光圖中,A′區(qū)域內(nèi)主柵線斷裂,因此導(dǎo)致電池片大面積斷路。(a)中,B區(qū)域內(nèi)副柵線及其周圍區(qū)域的亮度明顯比其他區(qū)域暗,很可能是由于副柵線斷裂造成局部斷路;由于副柵線尺度較小,從外觀很難檢測(cè)出是否有斷裂,如(b)中B′區(qū)域。因此,EL是檢測(cè)斷柵很好的方法。4晶界錯(cuò)位結(jié)合如圖11所示,(a)區(qū)域A中缺陷可判定為隱裂,區(qū)域B、C和D中缺陷可判定為雜質(zhì)原子本身或者與晶界錯(cuò)位結(jié)合形成的缺陷。隱裂與其他內(nèi)部缺陷相比,形狀更規(guī)則(狹長(zhǎng)細(xì)線),亮度更暗,邊緣銳度更高。B和C區(qū)域中缺陷圖像亮度比D中的更暗,說明B、C中的缺陷對(duì)少子壽命影響更大。硅材料鑄造和電池生產(chǎn)過程中會(huì)在硅電池邊緣引入更多的缺陷,可從(b)多晶硅電池EL圖得到印證。6織物裂紋識(shí)別為了在太陽電池生產(chǎn)過程中進(jìn)行快速的流水線檢測(cè),運(yùn)用數(shù)字圖像處理的相關(guān)算法對(duì)拍攝到的EL圖像進(jìn)行裂紋識(shí)別,并基于Matlab實(shí)現(xiàn)可視化操作界面。6.1邊緣檢測(cè)及裂紋識(shí)別自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采取的工作流程為:圖像獲取→圖像預(yù)處理→圖像分割→特征抽取→判斷識(shí)別。圖像預(yù)處理采用中值濾波,在去噪的同時(shí)還可以較好的保護(hù)圖形邊緣信息;圖像分割采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè),然后用形態(tài)學(xué)算法對(duì)邊緣檢測(cè)后的二值圖像進(jìn)行縫隙填補(bǔ)、區(qū)域填充、移除與邊界聯(lián)通的目標(biāo),最后用菱形結(jié)構(gòu)元素對(duì)分割出來的裂紋進(jìn)行平滑處理;特征抽取階段計(jì)算裂紋圖像的面積和周長(zhǎng);裂紋識(shí)別采用圓形度指標(biāo)C,它反映了被測(cè)量邊界的復(fù)雜程度,有C=Ρ24πA(17)式中:P是周長(zhǎng);A是面積。6.2行和參數(shù)的調(diào)整界面上的執(zhí)行按鈕和調(diào)整窗口通過調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)原程序的執(zhí)行和參數(shù)的調(diào)整,如圖12所示。文獻(xiàn)指出,分割后封閉圖形的圓形度在3～7間,可被判別為裂紋。在操作界面中,調(diào)整好參數(shù),計(jì)算得圓形度為5.4,處在裂紋范圍內(nèi)。7el圖像的分析從半導(dǎo)體EL的基本理論出發(fā),在理想P-N結(jié)模型