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首页晶体硅太阳电池电致发光缺陷检测与MATLAB图像识别研究
"这篇毕业论文主要探讨了晶硅太阳电池的电致发光研究以及利用Matlab进行缺陷电池的数字图像识别。论文分为三个主要部分,首先介绍了电致发光原理及其在检测晶体硅太阳电池隐性缺陷中的应用,然后分析了缺陷对电池性能的影响,最后详细阐述了基于Matlab的图像处理技术,实现缺陷的自动化识别和量化评估。" 这篇上海交通大学硕士学位论文深入研究了晶硅太阳电池的电致发光现象,这是一种通过红外检测发现电池内部隐形缺陷的有效方法。电致发光(EL)是当电子和空穴在半导体材料中复合时释放能量的一种形式,常用于检测太阳电池的内部结构和缺陷。通过对比EL图像与可见光下的电池图像,可以清晰地揭示出隐裂、断栅、电阻不均匀和花片等问题,这些在常规视觉检查中难以察觉。 论文的第二部分着重于对有缺陷的太阳电池进行伏安特性测试,揭示了隐裂如何影响电池的伏安特性、填充因子和效率。这些实验结果进一步证明了EL技术在检测太阳电池缺陷方面的精确性。 第三部分,作者运用Matlab进行数字图像处理,实现了缺陷电池的自动化识别。具体包括识别并量化晶硅电池的隐裂缺陷,计算其面积、周长和圆度等特征;以及对太阳电池组件进行黑片检测,自动完成组件的角度旋转、图像截取、电池片分割、黑片面积计算和不合格电池位置判断。此外,论文还设计了一个GUI界面,简化了操作流程,适合实际生产环境的应用。 此研究的意义在于提供了一种自动化、精确化的缺陷检测方法,显著提高了检测效率和准确性,对于依赖人工识别的光伏产业具有巨大的应用潜力和市场前景。关键词包括:电致发光、太阳电池、缺陷、Matlab和图像识别。
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上海交通大学硕士学位论文
第 8 页
测硅片的内部微裂纹;另外还有两个检测模块,其中一个在线测试模块,主要测
试硅片体电阻率和硅片类型,另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子
寿命和电阻率检测之前,需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测,并自动剔除
破损。
2、太阳电池、组件检测手段
单晶、多晶太阳电池制造工艺中,用到的检测手段有多种。
总的来说,非接触的红外影响探测技术(光致发光检测和电致发光检测)实
用性较强,其探测机制是利用半导体的发光原理,使用红外设备探测电池或组件
表面的发光强度。因为缺陷存在处的发光强度有异于正常表面,因此缺陷能很清
楚的被探测出。
在国内,2004 年,上海空间电源研究所提出了用图像处理技术对空间电池
片裂纹进行识别的方案。2007 年,台湾国立中央大学咨询工程研究所进行了太
阳电池组件尺寸测量及线路瑕疵检测研究,并组装了一个自动检测系统,该系统
能够检测的项目有:尺寸测量、外形破损及网印线路瑕疵。
在国外,太阳电池自动识别行业做的比较好的是挪威的 TORDIVEL SOLAR 公
司,该公司一直致力于高质量硅片自动检测设备的研发,目前已拥有为大型电池
单片及组件生产厂商提供全程在线检测流水线解决方案的能力。他们自主开发了
一个命名为 Wafer Inspection Master 的软件模块,该模块可将硅锭三维检测
以及硅片的厚度、表面缺陷、裂纹、离子污染、表面少子寿命等各种检测过程集
中整合在一起,并能通过各种通讯接口连接数据库,对每块硅片的检测数据做全
程记录。在整个过程中,硅片的缺陷情况以及质量等级划分都是由计算机自动识
别的。
现在国内有一些零散的仪器生产商,但仍然处于十分初级的阶段,对位定性
的检测,在定量分析上仍然处于低级阶段。 目前生产中用到了电致发光红外检
测手段,其中红外图像完全由人为判断识别缺陷。
1.4 本文的主要工作
1、本文基于电致发光(EL)的理论,利用红外检测的方法,通过CCD近红外相
机实验检测出了晶体硅太阳电池中存在的隐性缺陷,如隐裂、断栅、电阻不均匀、
花片等,并将EL图像与可见光下电池图像进行了对比。
2、对存在缺陷的太阳电池进行了伏安特性测试,得出隐裂缺陷对太阳电池伏
安特性、填充因子、效率等性能的影响,也证明电致发光技术检测太阳电池缺陷
的准确性。
3、对缺陷电池红外图像进行数字图像处理,可以识别出晶硅电池隐裂缺陷,
并计算出缺陷的面积、周长、圆形度等缺陷特征;对太阳电池组件实现组件角度
上海交通大学硕士学位论文
第 9 页
旋转、单块电池片划分及分块识别、单块电池黑片面积计算,及总黑片面积百分
百计算,不合格片位置判断,使太阳电池组件缺陷的识别判断完全实现自动
化,GUI的制作是检测操作可视易行。
上海交通大学硕士学位论文
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第二章 太阳电池原理及太阳电池缺陷
2.1
太阳电池工作原理
光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,通常叫
做“光生伏特效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的
[4][5]
。当太阳光照射到半
导体上时,其中一部分被表面反射,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,
一些变成热,另一些光子则与组成半导体的原子价电子碰撞,产生电子-空穴对。
这样,光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。如果半导体内存在 P-N 结,
则在 P 型和 N 型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向 N 区,空穴驱向 P 区,
从而使得 N 区有过剩的电子,P 区有过剩的空穴,在 P-N 结附近形成与势垒电场
方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外,还使 P 型层带正电,
N 型层带负电,在 N 区与 P 区之间的薄层产生光生伏打电动势。若分别在 P 型层
和 N 型层焊上金属引线,接通负载,则外电路便有电流通过。如此形成的一个个
电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。
图 2-1 太阳电池发电过程示意图
Figure 2-1 schematic diagram of solar power generation
图 2 表示的是单晶硅太阳电池的结构。如图所示,单晶硅太阳电池是由光透
过薄的 n 型表面层和背面的 p 型层组成。光照射产生的电子-空穴对,由于 p-n
界面间的内建静电场的作用,电子向上部电极集合、空穴向下部电极结合,在两
电极间形成了内建静电场,产生了光电效应;另一方面,与照射光束密度成比例
的电流,就会流到外部。
上海交通大学硕士学位论文
第 11 页
图 2-2 单晶硅太阳电池的构成
Fig.2-2 Constitution of crystal silicon solar cell
2.2
太阳电池基本特性
太阳电池的主要技术参数是太阳电池短路电流、开路电压、光谱响应以及太
阳电池的光电转换效率。
1、 短路电流 Isc
太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太
阳光谱划分成许多段,每一段只有很窄的波长范围,并找出每一段光谱所对应的
电流,电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和:
00
3.03.00
)()()(1)()(
mm
scscsc
dqFRdjdjI
式中
λ 0 ——本征吸收波长限
R(λ )——表面反射率
F(λ )——太阳光谱中波长为~+d间隔内的光子数。
2、开路电压 Voc
当太阳电池处于开路状态时,对应光电流的大小产生电动势,这就是开路电
压。
1ln
0
II
q
nkT
V
scoc
在可以忽略串联、并联电阻的影响时,Isc 为与入射光强度成正比的值,在
很弱的阳光下,Isc<<I0,因此
0
0
RI
I
I
q
nkT
V
L
L
oc
,其中
0
0
qI
nkT
R
,
在很强的阳光下,Isc>>I
0
,
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