自动检测降低太阳能电池成本

太阳能电池市场将经历非凡的增长，但市场上的持续成功将要求制造商降低生产成本。使用机器视觉系统的自动光学检测(AOI)将通过加速生产和减少浪费，在降低成本方面发挥关键作用。我们面临的挑战是为每个检查任务配备正确的视觉系统。

与大多数高科技市场不同，推动太阳能电池市场的是政治而不是技术。能源成本上升、全球变暖担忧、化石燃料储量下降以及新的政府激励措施，都促使人们对太阳能技术越来越感兴趣。自1998年以来，该行业已经实现了35%的复合年增长率(CSGR)，预计到2011年将保持20% - 30%的复合年增长率(见图1)。

图1 -即使是保守的估计，也预计太阳能电池市场在未来十年将有两位数的增长。

然而，限制这种增长的一个关键因素是光伏能源的成本。阳光是免费的，所以太阳能电池板的价格将是决定能源成本的主要因素。为了使光伏能源在传统替代能源中具有竞争力，电池板价格必须大幅下降(见图2)。然而，考虑到政治气候，即使没有平价，电池板成本越低，市场增长就越快。以平价计算，到2010年，市场规模可能高达310亿美元。

图2 -太阳能电池板价格必须大幅下降，以使光伏发电在大规模上变得有竞争力。

为了降低电池板成本并满足日益增长的需求，太阳能电池板制造商将需要提高生产效率。自动光学检测(AOI)可以在几个方面提供帮助。它比手工检查更快，允许开发人员通过消除检查瓶颈来加快生产过程。AOI还提供更高的可靠性，精度，和准确性比手动方法。这允许在生产过程中及早发现错误，减少浪费，并允许安全处理较薄的晶圆，同时减少由于晶圆破损和后续清理造成的生产延误。执行检查的视觉系统还可以对检测到的错误的位置、类型和数量提供即时定量反馈，以支持持续的过程监控和改进。所有这些好处的结果是降低了生产成本。

AOI的作用

AOI几乎可以在太阳能电池制造的每一个方面发挥作用，从硅开始。目前生产的硅太阳能电池有两种:单晶和多晶。虽然在硅锭的形成和结构上有所不同，但它们利用本质上相同的制造步骤将硅锭变成晶圆，用于电池制造(见图3)。这包括将硅锭切成倒角块，并将块切成晶圆。

图3 -将硅锭变成晶圆片是太阳能电池制造的早期步骤，AOI可以帮助降低成本。

Vision Systems可以在制造过程中自动化计量和质量检查。例如，三维系统可以检查用于表面缺陷的裁剪和倒角铸锭块，例如SAW标记和芯片，以及测量边缘上的临界尺寸和角度（参见图4）。这允许早期识别将产生缺陷晶片的铸锭部分以及提供过程控制反馈。

图4 -三维AOI允许对铸锭进行表面检查和计量。

一旦铸锭被锯成晶圆，AOI就能够在晶圆进入电池制造阶段之前检查它们。三维系统可以在光刻和其他需要平面的加工步骤中寻找可能产生问题的弯曲和翘曲。二维系统可以测量晶圆的尺寸和形状以及表面变形的均匀性，以实现工艺控制和质量保证(QA)。他们还可以检查晶圆片和表面的污染和缺陷(见图5)。Dark Field Technologies公司提供了一种用于硅以及玻璃、纸张、薄膜、金属和其他平面材料的AOI系统。该公司的NxtGen™系统利用激光和DALSA的食人鱼线扫描相机来寻找小至1至2微米的表面缺陷。早期识别污染可以让制造商避免后续的制造问题和重新清洗晶圆的低产量。在这一阶段发现缺陷，如微裂纹，有助于减少浪费，剔除有缺陷的晶圆片，并通过及早识别将产生失效单元的晶圆片段，节省测试成本。

图5 -晶圆检测可以在进一步加工前识别和描述微裂纹等缺陷，从而提高生产效率。

硅晶片通过蚀刻过程变成太阳能电池，蚀刻过程产生一个纹理表面，然后半导体掺杂过程产生一个二极管结构(见图6)。真空沉积的铝衬底形成一个电接触，而顶部接触是一个印刷金属网格。玻璃层保护剩余的表面。这个表面也有一层防反射涂层。

图6 -太阳能电池表面的纹理和涂层，以帮助重新捕获反射的光能。

纹理和涂层有助于提高电池捕获光能的效率。抗反射涂层利用干扰效应来防止反射的能量从电池中逃逸。这种纹理有助于引导任何反射的发生，使光线第二次照射到细胞上，增加了吸收的机会。它们一起提高了电池收集入射光的效率。

制造太阳能电池的半导体制造工艺为AOI提供了几个提供支持的机会(见图7)。除了已经提到的晶圆检测，AOI在测量纹理深度、均匀性和抗反射涂层厚度方面也有很大的好处。对表层金属化的光学检查也可以发现各种各样的缺陷(见图8)。

图7 - AOI可以在几个关键点支持太阳能电池的制造，包括入厂晶圆检验、变形控制、打印检验和最终测试。

图8 -电池表面的AOI可以快速发现金属化层中的错误，剔除失败，而无需昂贵的测试。

光学方法也可用于支持成品太阳能电池的最终测试。应用反向偏压,太阳能电池将发光波长1.15微米(参见图9)。相机能够在近红外(NIR)地区可以捕获这排放提供一个快速但的详细测量细胞的整个表面操作区域(EL测试)。光电池材料暴露在光激发下也会在近红外光谱中发出荧光，提供了一种光学附加检测方法(PL测试)。这两种方法都能揭示其他方法无法发现的缺陷。

图9 -注入电流到太阳能电池将导致它发射
AOI可以用来测量功能和性能的红外光。

在大多数情况下，制造操作并不是结束于太阳能电池的制造，而是继续将电池组装成面板(参见图10)。在这个阶段，机器视觉系统在自动化装配和检测中都有作用。在装配过程中，视觉系统可以引导细胞在框架中的定位和放置。AOI可以验证放置，检查焊接，并评估成品模块的串质量，损坏等。

图10 -太阳能电池在玻璃下组装成一个密封的框架，形成太阳能电池板。

DALSA解决多种需求

AOI在太阳能电池制造中的许多机会需要满足广泛的系统选择，以便以最低的成本获得优化的性能。例如，没有一台相机可以完成所有的检查任务。为了发现微裂纹并进行PL和EL测试，相机需要在近红外光谱中具有敏感性。表面计量要求高分辨率，而金属化检测只需要中等分辨率，但需要最高速度。

此外，不同类型的相机更好地服务于不同的任务。区域扫描相机一次拍摄完整的二维图像，很像传统的快照。这种方法最适合于物体静止或需要精确测量表面相对位置的检查操作。区域扫描相机也是3D成像的最佳基础。

行扫描相机使用不同的方法，一次只暴露图像的一条线。物体或相机的移动使得线条随着时间的推移而形成二维图像。当物体处于运动状态或在大图像区域需要高分辨率时，这些相机最适合进行检查操作。线扫描相机的一种变体利用时延集成(TDI)将多个传感器的结果结合在一起，在较低的光照水平下提供更快的图像捕捉。

图11 -带有时延积分(TDI)的线扫描摄像机
帮助缩短曝光时间，结合传感器的结果
提供高分辨率和快速图像采集。

虽然一种类型的相机不能满足太阳能电池制造的所有AOI需求，但有一家公司可以。DALSA为其视觉系统提供了广泛的相机选择，以便客户能够找到最佳的成本/性能组合。对于高分辨率，DALSA的22M像素Pantera 22M相机可以解决小至40 um的缺陷。

在速度和灵敏度是主要考虑因素的情况下，DALSA提供了具有行业领先性能的区域和行扫描相机类型。例如，猎鹰4M60区域扫描相机使用CMSO专利传感器技术，以62帧/秒的速度提供400万像素分辨率的图像。Piranha HS 4K640 TDI线扫描相机的数据速率高达110 kHz，是业内最快的图像捕捉速度。

Dalsa还能够满足太阳能电池检查的特殊需求，用彩色摄像机和在NIR波长上工作的摄像机。颜色操作简化了抗反射涂层的检查，因为反射光谱提供涂层厚度的指示。NIR中的敏感性对于EL和PL测试至关重要，并且NIR照明在揭示微裂纹方面特别有效。Dalsa为其相机提供专门的InGaAs传感器，以提供远远优于传统CCD传感器的NIR响应度。

太阳能电池市场面临着难得的增长机会，但生产成本将决定这种增长的速度和程度。提高生产速度和产量，并相应降低成本，将需要在制造过程的各个点使用自动光学检测方法。DALSA提供全方位的摄像机和系统，以满足每一步的需求。

关于作者

何兴飞，高级产品经理
星飞管理DALSA的Linescan和TDI产品线。在这个职位上，他负责产品计划、开发、市场和销售的所有阶段，以及整个产品生命周期的执行。他在传感器和机器视觉方面有多年的经验。在此之前，邢飞曾担任JDS Uniphase(加州米尔pitas)的产品经理和LUXELL Technologies(安大略米西索加)的业务开发经理。他拥有中山大学(中国广州)的半导体器件学士和硕士学位，以及澳大利亚国立大学(澳大利亚堪培拉)的光子学博士学位。他的专业领域包括:成像、显示和光子学。