太阳能电池片外观自动检测装置在生产中的应用

|电池片自动外观检测设备在生产中的运用摘要： 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行 “ 阳光计划 ” ，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。目前国内的太阳能电池厂就像雨后春笋一般星罗在神州大地上。在逐渐激励的市场竞争中，如何才能占领更大的市场份额，取得更大的利益。太阳能电池片的产品质量就摆上了一个至关重要的位置。如何保证电池片的出厂质量，本文从成品质量控制，介绍目前台湾太阳能行业较为流行的电池片外观自动检查装置，结合国内普遍应用的电池片外观人工分选进行比对，进行优劣性比较。关键词： 太阳能 自动检测装置 人工分选 质量控制1 引言1.1 研究背景全球太阳能电池产业 1994-2004 年里增长了 17 倍。目前，太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。 2008 年中国太阳能电池产能约为 3.3GW，产量超过了 2GW。2009 年中国太阳能电池产量已经达到了 4.3GW，中国所占全球份额已达到 4 成。 [1]中国已在生产制造方面取得重要地位， 也将成为使用太阳能的大市场。 2009 年国家陆续出台了太阳能屋顶计划、金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，会启动一个巨大的市场。面对如此巨大的市场需求和如此激烈的行业竞争， 提高效率和降低成本成为整个行业的目标。在晶体硅太阳电池的生产过程中 , 一些较严重的外观不良：碎片 /隐裂、表面损伤、镀膜层不良、印刷不良、电性能不良等 , 正是这些缺陷影响了电池片的转换效率和外观等级，直接增加了生产成本，减少了企业的利益获取。同时 , 由于没有完善的行业标准 , 硅片原材料质量也是参差不齐 , 一些缺陷片的存在直接影响到组件乃至光伏系统的稳定性。 [2]1.2 文献综述本文主要介绍了目前市场上比较普遍的两类电池片外观检查方法： 电致发光亮度正比于少子扩散长度和有效位缺陷类型， 并且通过对这两类测试装置在现在的运用进行比较其不同点。本文还提到了一点，在人工分选与自动分选上，站在人与机器的擂台上，进行一个全方位的比较，并且综合两者的优缺点进行分析。1.3 研究方法与内容随着时代的发展，科学技术的进步，工厂全自动化的管理模式是逐步发展的目标。虽然在其发展过程中会有阻力，但相信先进的科技一定会取代一些手动化的东西。希望太阳能行业自动化管理就像百年年的工业革命一样来得突飞猛进。2 电池片外观自动检测装置的介绍|2.1 检测方法及产品品牌介绍2.1.1 电致发光亮度正比于少子扩散长度对太阳能电池 /组件加载电压后，使之发光，再利用近红外相机摄取其发光的影像，因电致发光亮度正比于少子扩散长度，缺陷处因具有较低的少子扩散长度而发出较弱的光，从而形成较暗的影像[3]，种检验方法就是我们俗称的 EL 检查。如下图所示为较普遍的太阳能电池片 EL 检测装置。前市场较多使用的品牌有：沛德光电、苏州诺威特等。2.1.2 有效位缺陷类型通过对产品缺陷图像的观察，可以有效的发现硅片、扩散、刻蚀、印刷、烧结等工艺过程存在的问题，方便进行分析以及问题的解决，对提高产品质量和产品效率，改善工艺和稳定产量起到了绝对的帮助作用。下图为市场上常见的有效位缺陷类型的检测装置：目前市场较多使用的品牌有： GP Solar、 ICOS、 Manz、 TTVision等。2.2 两种检测缺陷的方法2.2.1 电致发光亮度正比于少子扩散长度2.2.1.1 丝网印刷缺陷丝网印刷就是利用丝网图形部分网孔透浆料， 非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。印刷时在丝网一端倒入浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。浆料在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上。印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，而丝网其它部分与承印物为脱离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个印刷区域后抬起，同时丝网也脱离基片，并通过回墨刀将浆料轻刮回初始位置，工作台返回到上料位置， 至此为完整 的一个印刷行程。 [4]EL 设备可检测的丝网印刷缺陷的主要类型有断栅、 节点。 如图 2.3,2.4 所示为在 EL设备下拍下的断栅照片：2.2.1.2 烧结缺陷烧结工序就是把印刷到硅片上的电极在高温下烧结成电池片，最终使电极和硅片本身形成欧姆接触，从而提高电池片的开路电压和填充因子 2 个关键因素参数，是电极的接触具有电阻特性，达到生产高转效率电池片的目的 [5] 。 EL 设备可检测的烧结缺陷有烧结不良。如图所示为在 EL设备检测到烧结不良的照片：2.2.1.3 表面漏电缺陷在没有光照的条件下，给 PN 结加反偏电压(N 区接正， P 区接负 )， 此时会有反向的电流产生，图 2.1图 2.2图 2.3 图 2.4图 2.5 图 2.6|这就是所谓的暗电流。对太阳能电池而言，暗电流不仅仅包括反向饱和电流，还包括薄层漏电流和体漏电流 [6] 。在太阳能电池实际生产中，漏电流高会导致电池片电性能的低下，此种不良目前已成为同碎片一样的困扰太阳能行业整体质量的一大弊病。EL 设备检测的表面漏电缺陷如上图所示，如繁星密闭的小点即为表面漏电不良：2.2.1.4 材料缺陷由于硅片原料缺少较为有效的检测方法， 尤其是同心圆缺陷，在原始硅材料上完全无法进行检测。但此类缺陷对于成品电池片的电性能影响较大，存在同心圆的电池片多数会是转换效率低下或者是没有转换效率的电池片。类同心圆缺陷已经成为目前业界默认的来料不良。 如果能将此类不良片单独进行区分，一定可以为过程中的不良原因分析提供便利。针对原材料缺陷，进行 EL 检测如左图：2.2.1.5 隐裂由于硅片本身较薄， 在加工过程中受压力或者其他的外力， 而导致隐裂。 由于产生隐裂缺陷的电池片本身从外观上无法进行辨别，所以可能会造成出货漏检， 从而造成客诉。但 EL 测试设备可以进行此类缺陷的检测， 如左图所示：综上所述， EL 检测设备主要用于检测电池片印刷类以及本身性能上的一些缺陷，但对于表面的缺陷，如色差、崩边、水渍、脏污等就无法进行检测，所以就引入了以下的这种检测方法——有效位缺陷类型检测方法。2.2.2 有效位缺陷类型2.2.2.1 硅片表面缺陷硅片进料检验中此种检验方法可以进行硅片的尺寸、崩边、台阶、隐裂、脏污等任何类型的外观类缺陷。除此之外，这种检测方法还可以进行过程硅片（即镀膜前）外观缺陷的检测。如图所示的为几种利用此项检验方法检测出的硅片表面的缺陷：2.2.2.2 镀膜后印刷前硅片表面缺陷对于镀膜后印刷前的硅片， 主要的缺陷集中在色差、斑点、水渍等缺陷。由于硅片镀膜后，很多外观类的缺陷会显现出来。 且PECVD 工序是最后一个较为理想的可返工工序，所以在 PECVD 镀膜后硅片上存在的缺陷，希望能够全部拦截。上图为使用有效位缺陷检测方法所检测到的缺陷。这种检测方法是将颜色分为 360个色阶，通过色阶的变化来检测电池片是否存在色差，根据色差的程度进行等级区分。2.2.2.3 印刷类缺陷在有效位缺陷类型的检测方法下， 可以检测任何类型的印刷不良，并且它所能达到的精度是肉眼所望尘莫及的。表面划伤缺陷台阶缺陷 表面划伤缺陷图 2.9图 2.10图 2.12图 2.11|以下就来介绍一下印刷类的不良在此种检测方法下的图片：2.2.2.4 非印刷类缺陷在电池片生产过程中，除了印刷类的缺陷以外，还有一些非印刷类的缺陷也同样影响电池片的外观品质。对于非印刷类的不良，有效位缺陷类型的检测方法也可以全部检测。于此同时使用者会抱有疑问，单晶电池片的表面缺陷是很容易检测的，但是多晶电池片由于本身结晶会造成一些表面的颜色差异，是否会影响仪器的判定呢？答案当然是不会的，以下就列举一些非印刷类缺陷的测试照片：如图 2.14 所示均使用多晶电池片样本，此种检测装置是可以将电池片表面缺陷与晶格区分的。2.3 自动检测装置监控点由于电致发光亮度正比于少子扩散长度的检测方法不能对未印刷的过程片进行外观检查， 所以本文中仅介绍有效位缺陷类型的检测方法。如左图所示， 为有效位缺陷类型的检测方法对于电池片生产中各工序的监控点如下图所示：此种检测方法不单单局限于对于成品进行一个外观分级的工作，更为重要的是， 这类检测方法也可以进行过程的管控。 目前业界普遍认为较重要的几个监控点为： 进料端、PECVD 镀膜后、印刷后烧结前、测试分选前。众所周知，在电池片生产过程中，烧结前全部都是可以返工的，如果能做好产品的过程控制，对于电池片的出货端是一种强有力的保障。有那么多监控点， 我们是否需要每个点都放一台检测装置呢？是否可以认为比较重要的点放置呢？答案当然是肯定的。目前比较主流的选择印刷后烧结前、测试分选前这两个监控点。下面就来分析一下选择这两个监控点的主要原因：目前印刷类缺陷主要影响多晶电池片良率，占 B 级品不良的 60%左右；印刷后的不良无法及时被检测出，通常到烧结后发现，也已经发生了几十片；目前大陆很多厂采用人工分选外观的方式，但人工作业稳定性差、个体差异大， 已成为困扰很多厂的一个问题，人工分选外观的方式会导致部分碎片的产生，增加厂内的产品成本。针对以上的原因， 通过使用有效位缺陷类型的检测方法就可以对上述的质量问题进行改善。此种检测设备的最大优点有以下几项：1. 检出的即时性，不会导致有缺陷的电池片的积压；2. 有效降低厂内 B 级品的数量；3. 大量的数据存储，以供后续改善的数据基础；4. 误判率低：过严 2%，过松 0.2%；5. 检验精度高；6. 测试速度快：与生产节拍一致；7. 与电性能测试分选机相结合后，可以将电性能数据和外观数据的统计一步到位：8. 检测时不会造成碎片问题。图 2.13图 2.14图 2.15|2.4 两种检测方法的比较2.4.1 检测项目比较电致发光亮度正比于少子扩散长度的检测方法的检测项目有：印刷类缺陷、烧结缺陷、隐裂、材料缺陷、工艺污染、表面漏电等项目。有效位缺陷类型的检测方法的检测项目包含一切外观类的缺陷。两种检测方法的侧重点有所不同，故在此无法进行比较。2.4.2 生产中实际应用比较在太阳能电池片实际生产中，两个检测方法的比较如下：电致发光亮度正比于少子扩散长度的检测方法：1. 检测时间较长，在线影响生产节拍；2. 属于接触式检测，对电池片存在一定损耗，存在碎片隐患；3. 仅对于缺陷的一种逻辑判定，不能进行外观等级判定；4. 有效位缺陷类型的检测方法：5. 检测时间短，在线与生产节拍一致；6. 不接触电池片，不会产生碎片；7. 根据事先制定的标准，对电池片外观进行等级判定。通过上述几点的比较，可以得出以下的结论：1. 电致发光亮度正比于少子扩散长度的检测方法受测试时间较长的影响，所以对于太阳能电池片生产不适用于在线设备，仅适用于不在线的检测；2. 电致发光亮度正比于少子扩散长度的检测方法只能进行一个逻辑的判断，即该缺陷存在与否，是无法进行缺陷的测量、色阶的定义的，故无法对外观等级进行判定区分；3. 由于电致发光检测方法为接触式，再外加电性能测试机的测试方法也为接触式，导致电池片在出厂前会经过两次搭接，使电池片碎片的几率增加 50%；综上所述，电致发光检测方法不适用于在线的测量以及外观等级区分。如果考虑到实际生产中的运用，业界比较推荐的是有效位缺陷类型的检测方法。调查显示，目前有效位缺陷类型的检测方法在太阳能行业中已经普遍使用， 就 ICOS PVI-6 这个型号的产品就已经有 1200 多台在线使用， 下图为此型号产品的全球使用分布：可以看出此型号产品的使用主要分布在亚洲区域，由于台湾的光伏行业起步较早，发展较快，已经有 552 台在使用，为全球第一。大陆目前有 172 台在线使用，由于大陆相对来说起步较晚、人工较低，很多企业尚未使用，但已经有很多工厂正在计划使用此种检测设备。3 外观自动检测与人工分选的比较3.1 外观自动检测与人工分选的比较以 ICOS PVI-6 检测设备为例，与人工外观分选的各项指标比较如下表：项目 人工分选 自动检测漏检 受人员熟练程度、心情、疲劳情况等因素影响过严 2%；过松 0.2%人员分配 7.5 人 1 台图 2.16|碎片率 0.05% 0重复性 差 好数 据 记 录方式人工（出错率 1%左右） 自动记录（出错率 0）过程改善 反馈速度慢 即时反馈数 据 连 接方式无 MES+YMS系统从上表中的数据我们很容易可以看出，各项指标均是自动检测设备占优势。在漏检以及判定一致性上，使用人工分选容易受很多主观和客观条件所局限，从而影响判定结果，但自动检测设备则不会出现此类问题，它可以保证判定结果的稳定性。人员成本上，使用一台设备相等于 7.5 人的工作量，且此类设备不需要任何的保养等工作。 数据记录和连接方式， 采用人工分选实际上无法实现自动化的数据处理和连接，且人工记录过程中容易造成记录错误。过程能力的改善方面，采用自动化检测装置可以即时发现问题，即时报警，尤其是对管控印刷类的缺陷问题，大大提高了后道工序的反馈速度。但人工分选相对来说要滞后十几分钟左右，在此期间，印刷工序产生的相同缺陷可能已经有几百片之多。另外，自动检测装置的数据存储功能可以帮助我们将一段时间内的电池片外观情况进行跟踪分析，从而更有效的进行过程能力的改善。3.2 外观自动检测与人工分选经济收益比较在竞争日益激烈的国内光伏行业中， 很多公司可能会倾向于使用成本支出较低的人工分选方式。人力成本支出低，就代表可以降低成本吗？事实并非如此，其实通过一些简单的计算，我们就可以比较出人工与机器分选的收益情况。ICOS PVI6 人工项目比例误判数比例误判数（每天 150,000 片） （每天 150,000 片）过松 0.20% 300 0.41% 651过严 2% 3000 3% 4500根据以上的表格的基本数据，换算到每年，使用自动检测装置相比于人工分选的成本损失来计算，自动检测装置成本回收时间约为 1 年零 3 个月。在 1 年 3 个月之后， 它相比于人工分选来说，单号机每年可以减少 795,312 元的成本损失。ICOS PVI-6 较人工分选每年收益 备注产线产能（片 / 小时） 1,200年产能（片 / 年） 10,080,000 350 工作日漏检（过松改善率） 0.21% 0.41%-0.2%客诉成本（单片） 15 后续的补换片、运输、人力等估算成本损失 317,520漏检（过严改善率） 2% 3%-2% (由于自动分选后还需人工筛选 , 以 2%计)图 3.1图 3.2|公司损失成本（单片 / 元） 2.37 A 级降为 B 级差价成本损失 477,792 此处按照 1%来计算年成本损失合计 795,312ICOS PVI-6 968,877 (EUR 105,000) 1 欧元 =9.2274 人民币元成本回收期 1 年 3 个月4 总结中国是世界上最大的太阳能应用产品生产国， 同样也是太阳能市场竞争最激烈的地方，如何在数以万计的电池片生产厂家中生存并且发展，是我们值得去探讨的一个问题。但是展望全球，对于太阳能电池片的需求还是非常大的。根据初步统计，国内太阳能组件封装企业的总能力已经超过 800MW ， 而能够采购到的电池不足 300MW ， 缺口至少在 500MW 上下 [7]。使用电池片外观的自动分选应该是时代的趋势及发展的需要， 也许现在大陆并没有很多厂家使用，但是并不代表这种技术不好。未必第一个吃螃蟹的人就一定会牺牲， 与其举步不前，还不如大刀阔斧地勇往直前发扬我航天精神，相信国内的光伏事业一定会有美好的明天，相信好航天人一定能否走在光伏事业的最前端。参考文献[1] 太阳能光伏行业发展大事件回顾 .光电新闻网， 2011.5.25[2] 郝钢，我国太阳能发展现状与前景，中国新技术新产品， 2010 NO.16[3] 崔容强，王晨 .太阳能电池检测系统基本原理 .China Academic Journal Electronic Publishing House， 1994-2010，p36~40[4] Zhang L Z， Lin H， Wang N et a1． Journal of Alloys and Compounds[J] ， 2007， 43 l(1— 2)： 230[5] 王慧 .邵竹峰太阳能电池概述 -中国建材科技 2008,17(6)[6] 袁镇，贺立龙 .太阳能电池的基本特性 .现代电子技术， 2007， 16 期， p163~165[7] 段晓飞 .太阳能发展前景及应用研究 .现代商贸工业， 2010 NO.20 ， p283~283图 3.3