杜虎明

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

不論在硅片車間，還是在電池車間，硅片隱裂檢出都是一個(gè)難點(diǎn)，隨著目前光伏行業(yè)的競爭加劇，在實(shí)現(xiàn)智能化的同時(shí)，提高效率和降低成本成為眾多光伏企業(yè)的共同目標(biāo)，硅片的薄片化也成降本的大勢所趨。硅片越來越薄，在復(fù)雜的生產(chǎn)過程以及各工序間的互相傳送中極易產(chǎn)生碎片和隱裂。明顯的碎片我們?nèi)庋矍逦梢姡梢灾苯犹暨x出來避免進(jìn)入下一道工序。但隱裂片肉眼不可見，無法直接挑出，隱裂的硅片進(jìn)入下一道，會造成整個(gè)工藝流程不必要的浪費(fèi)。人工檢驗(yàn)無法滿足大量檢測、自動(dòng)化和智能化的需求。目前需要一種集成在現(xiàn)有設(shè)備上的隱裂檢測裝置，在檢測出隱裂片的同時(shí)并將其自動(dòng)剔除，以實(shí)現(xiàn)各廠家智能化的需求。

1 市場分析

隱裂片是完全無法后續(xù)再用的硅片，一般都只能把它作為硅料投爐再用，因?yàn)橛脙?nèi)部存在隱裂的硅片做成電池片后，會產(chǎn)生無效片和低效片，會嚴(yán)重影響電池組件的發(fā)電效率。目前硅片裂紋、隱裂大多是依靠人工目視檢測，不僅不能檢測出小的隱裂、漏檢率很高，而且人工檢測會對硅片造成玷污、新的隱裂等潛在風(fēng)險(xiǎn)。而另一種新的隱裂檢測激光成像系統(tǒng)也會因?yàn)樘蓟栌操|(zhì)點(diǎn)和硅片邊緣造成誤判。因此，新的隱裂檢測裝置和方法對于減少硅片檢測中的漏判、誤判，減少繼續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生的成本顯得非常重要。

2 設(shè)計(jì)需求及定位

目前很多光伏廠家需要一種隱裂裝置，可以集成在現(xiàn)有硅片上料設(shè)備中，從硅片疊片上料工藝開始檢測并將檢測出的隱裂片剔除，這樣提前檢測出的隱裂片可以直接原廠退回降低成本，而且首道工藝剔除出的隱裂片不占用后續(xù)工藝資源，大幅提高生產(chǎn)效率。

2.1 現(xiàn)有設(shè)備上集成

在現(xiàn)有制絨上料設(shè)備中集成該隱裂檢測裝置需要具備如下條件：安裝方便、調(diào)試快捷、不占用操作空間，作為一個(gè)檢測模塊可自主選擇開啟或暫停而不影響工藝流程。

2.2 集成方式創(chuàng)新

該隱裂檢測裝置既能獨(dú)立完成檢測任務(wù)，又能與主機(jī)設(shè)備的工藝流程、動(dòng)作流程、操作方式相互配合，增加該裝置后不影響原有設(shè)備的正常使用，而是作為原有設(shè)備的助手，協(xié)助其檢測出不合格片的同時(shí)，并將不合格片自動(dòng)剔除，實(shí)現(xiàn)功能與流程的有機(jī)集成。在實(shí)現(xiàn)檢測過程自動(dòng)化的同時(shí)，可以將檢測數(shù)據(jù)與結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給客戶，可追溯來料廠家、批次，可跟蹤生產(chǎn)工藝，以滿足現(xiàn)有光伏廠家智能化工廠的需求。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

一般硅片廠家會有萬分之一隱裂片，將其剔除后返廠可有效降低成本，減少資源浪費(fèi)，該隱裂檢測裝置一般在十個(gè)月之內(nèi)收回成本，在市場競爭日趨激烈的情況下，增加一套該裝置可以從成品率指標(biāo)、轉(zhuǎn)化率指標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)中顯著增加，推薦各光伏企業(yè)增加。

3 隱裂檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 采集圖像原理

利用紅外光穿透能力強(qiáng)，但無法穿透硅材料的特性。在完整的硅片表面，經(jīng)過硅片反射后的部分光線可以進(jìn)入相機(jī)，呈較亮色；硅片有隱裂、缺角等，則光線在瑕疵部分會產(chǎn)生漫反射，導(dǎo)致進(jìn)入相機(jī)的光線減少，缺陷部分呈暗色。利用這些特性及自主開發(fā)的檢測算法將隱裂片、缺陷片檢出。

3.2 圖像處理原理

圖像的頻域可以表征圖像灰度變化劇烈程度，是灰度在平面空間上的梯度。且頻域遵循如下規(guī)則：

1) 引起圖像質(zhì)量下降的噪聲占頻譜的高頻段；

2) 圖像邊緣占高頻段；

3) 圖像主體或灰度緩變區(qū)域占低頻段。

利用裂痕、瑕疵在頻域中的特性，制作相應(yīng)的濾光器，在空間域內(nèi)選出瑕疵所在。

3.3 檢測裝置模型設(shè)計(jì)

強(qiáng)光照射運(yùn)動(dòng)中的硅片，上方相機(jī)將該硅片拍攝，并與預(yù)先記錄的完整硅片的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而判斷出所拍攝硅片的不同之處，經(jīng)過算法判定該硅片是否屬于隱裂片，整個(gè)過程要在0.2秒內(nèi)完成。

硅片隱裂檢測中構(gòu)建如圖1的檢測裝置模型，皮帶5為兩段皮帶，轉(zhuǎn)速相同處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，硅片4在皮帶5上沿方向7傳送，光源3持續(xù)照射，透過擋光板2將光線打在硅片4上，反光板6反射光線，兩者為相機(jī)1拍攝完整的硅片提供光線。

3.4 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合光伏廠家上料設(shè)備實(shí)際，根據(jù)隱裂檢測功能原理及構(gòu)建的檢測裝置模型，設(shè)計(jì)出如圖2的隱裂檢測裝置，主要由7部分組成。

1) 拍照相機(jī)1垂直安裝于待檢測硅片上方，可以實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)、前后微調(diào)、沿相機(jī)鏡頭軸向方向±5度微調(diào)，保證相機(jī)在獲取圖像時(shí)清晰、完整。

2) 光源2沿垂直方向傾斜安裝，沿傾斜方向可以調(diào)節(jié)，沿硅片水平方向?qū)崿F(xiàn)±10度微調(diào)，用于配合擋光板3達(dá)到光線最佳照射的狀態(tài)。

3) 擋光板3在相機(jī)獲取圖像時(shí)起到關(guān)鍵的作用，垂直方向與硅片保持2 mm距離，而且可以實(shí)現(xiàn)沿相機(jī)鏡頭軸向±3度微調(diào)。與光源2的光線相切之處需要經(jīng)過專門的細(xì)磨工藝處理。擋光板透光處若太光滑會反射光源光線，減弱成像效果，若太粗糙會使光線有紋理，導(dǎo)致圖像不清晰。

4) 硅片4沿傳送皮帶5從里向外傳送，傳送速度根據(jù)工藝要求相互匹配，一般需要大于0.2秒/片，以滿足相機(jī)獲取圖像、數(shù)據(jù)處理、判斷是否為隱裂片多個(gè)流程。但同時(shí)也需要保證生產(chǎn)實(shí)際。

5) 傳送皮帶5在相機(jī)正下方需要有30 mm的開口，以保證通過的硅片完全處于無障礙成像狀態(tài)，避免有皮帶的影響導(dǎo)致皮帶處出現(xiàn)隱裂在成像中不能清晰反應(yīng)，導(dǎo)致漏檢或誤檢。

6) 反光板6在調(diào)節(jié)硅片成像明暗程度起到關(guān)鍵作用，其材質(zhì)為黑色壓克力板，用于吸收透過硅片的光線，而最小范圍內(nèi)將光線反射回去，反光板的傾斜角度要保證在傳送皮帶的缺口處可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

7) 骨架7為鋁型材搭建的龍門結(jié)構(gòu)，底板通過螺孔可以安裝于自動(dòng)上料設(shè)備臺面上，尺寸能兼容常規(guī)上料設(shè)備傳送部分，龍門高度在800mm左右，用于適應(yīng)相機(jī)采集圖像的聚焦距離。各部件安裝在型材上便于調(diào)節(jié)，裝拆方便、調(diào)試過程中可以在要求范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

1.相機(jī)；2.擋光板；3.光源；4.硅片；5.皮帶；6.反光板；7.皮帶運(yùn)動(dòng)方向

1.相機(jī)；2.光源；3.擋光板；4.硅片；5.皮帶；6.反光板；7.骨架

3.5 實(shí)際檢測效果

目前將該隱裂檢測裝置已集成于客戶現(xiàn)場上料設(shè)備中，經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試，初步實(shí)現(xiàn)了該裝置的批量化應(yīng)用，現(xiàn)場呈現(xiàn)給客戶的是實(shí)時(shí)的硅片圖像，自動(dòng)剔除的隱裂片，經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)處理，將隱裂硅片的數(shù)據(jù)儲存和傳送給客戶數(shù)據(jù)端，滿足客戶智能生產(chǎn)要求。圖3為實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給客戶隱裂片圖片，并對隱裂位置做了標(biāo)識。

圖3 檢測出的隱裂片

4 結(jié)論

將同一批次硅片分為等同數(shù)量的兩批，同時(shí)在硅片上料設(shè)備進(jìn)行上料工藝操作，將一批包括隱裂、碎片等缺陷的硅片進(jìn)行人工檢測，將另一批硅片用上述隱裂檢測裝置進(jìn)行隱裂、碎片等檢測，然后將兩批檢測后的硅片在同一條電池生產(chǎn)線上進(jìn)行太陽能電池生產(chǎn)，并實(shí)時(shí)記錄每道電池生產(chǎn)工藝的碎片數(shù)量，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行隱裂檢測率、繼續(xù)生產(chǎn)碎片率及高漏電率等各技術(shù)指標(biāo)對比。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

從以上現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對比可知：通過本文隱裂檢測裝置可以提高前段工藝隱裂檢測準(zhǔn)確率、更多更精確地檢測出實(shí)際隱裂硅片，從而降低繼續(xù)生產(chǎn)流程中的隱裂片對后續(xù)工藝流程中電池片性能和組件的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并有效提高電池片整體電性能表現(xiàn)和降低整體運(yùn)營成本。

圖4 技術(shù)指標(biāo)對比曲線

隨著531新政的發(fā)布，光伏制造業(yè)將會迎來專業(yè)化時(shí)代，光伏產(chǎn)業(yè)競爭將越來越激烈，提高效率和降低成本更成為整個(gè)行業(yè)的目標(biāo)。隨著硅片的薄片化發(fā)展，一方面，硅片的價(jià)格及生產(chǎn)線運(yùn)營成本大大降低，而另一方面，硅片薄片化也帶來如碎片、隱裂等問題，限制了電池片的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命，影響了組件乃至系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)對太陽能硅片的整線檢測也提出越來越高的要求。如何讓檢測結(jié)果倒逼原材料生產(chǎn)及流程，使之產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的可替代品將會是未來光伏行業(yè)新的契機(jī)。