光伏缺陷检测激光光源的均匀化设计

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 刘小宇

光伏缺陷检测激光光源的均匀化设计

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 刘小宇

针对光纤耦合式半导体激光器输出激光能量的分布不均匀问题，提出了一种梯形反射圆筒实现激光系统均匀性设计的方法，通过MATLAB对该方法中的光路及校正前后的激光分布曲线进行了仿真和分析，从而得到最优化的参数数据。仿真结果表明，该方法用于激光非均匀性的校正是可行性的。

光致发光；激光匀化；梯形反射圆筒；光学仿真

0引言

在晶体硅太阳电池的薄片化发展过程中，出现了许多严重的问题，如碎片、电池片隐裂、表面污染、电极不良等，正是这些缺陷限制了电池的光电转化效率和使用寿命。同时，由于没有完善的行业标准，硅片原材料质量参差不齐，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。因此，太阳能行业需要有快速有效和准确的定位检验方法来检验太阳能光伏电站中可能出现的问题。

光致发光缺陷检测方法是一种非接触式的缺陷检测分析手段。PL（photo lum inescence，光致发光）检测过程大致包括激光被样品吸收、能量传递、光发射及CCD（Charge Coup led Device，电荷耦合装置）成像四个阶段。通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，硅片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出一定波长的红外光为波峰的荧光。利用冷却的探测器进行感光，将图像通过计算机显示出来[1]。发光的强度与非平衡少数载流子的密度成对应关系，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断硅片或电池片是否存在缺陷。

光致发光检测方法的前提条件是均匀化的激光光源，太阳电池的尺寸一般为156mm×156mm，因此激光光源的尺寸也必须达到156mm×156mm，而激光辐照强度必须超过100mw/cm2（毫瓦/平方厘米），这样大功率的激光光源一般采用光纤耦合式半导体激光器[2]。但是这种激光器直接输出的激光能量呈高斯分布曲线[3]，均匀性很差，难以满足测试需求。因此，激光系统的均匀化设计成为光致发光技术应用在太阳电池缺陷检测领域的关键。

1方法的提出

太阳电池片在激光的激发下产生荧光，产生的荧光量与入射的激光能量成正比，因此要求入射的激光能量在整个太阳电池的辐照面内均匀分布，如图1所示。但是，光纤耦合式半导体激光器直接输出的激光能量分布按输出角度为近似的高斯分布，如图2所示。从图2中可以看到，激光的特性是中心位置能量最大，越向外围能量越小[4]。因此，必须将激光光斑外围的能量补偿到激光光斑中部，使激光的能量分布均匀[5]，如图3所示。

图1期望得到的激光能量分布

图2原始激光的能量分布

图3能量补偿示意图

图4激光反射能量补偿光路图

本文利用光的反射原理，设计了激光光源的能量反射补充光路，如图4所示。光纤激光器的输出端安装在梯形反射圆筒的小端，激光经过圆筒时，角度小的直接穿过，角度大的光线照射到圆筒壁后被反射，这些反射光自然补偿给了输出角度小的光束。然而，反射圆筒约束了激光的输出角度，使得激光的输出角变小，导致激光可以照射到的范围变小。为了确保激光的光斑能将样品区域完全覆盖，在反射装置下方设置了凹透镜或者透镜组，实现了激光光斑有效放大。

2激光束经过梯形圆筒后的光学仿真

激光束通过梯形圆筒反射之后的光路大致可以分为二部分，如图5所示，一部分是发射角度小的光束不经过反射直接射出到辐照面，另一部分是发射角度大的光束经过梯形圆筒内壁的反射后射出，此时射出的光束在目标上会与角度小的光束叠加，使该部分激光辐照的光强增大。

图5激光束通过梯形反射圆筒内部的光路分类

本文使用Matlab（matrix&laboratory，美国MathWorks公司出品的商业数学软件）软件[6]对激光经过梯形圆筒反射后的光路进行了仿真。首先通过漫反射白板来获得激光的能量分布情况[7]，即在白板面积大于样品面积的情况下，调节位置使激光完全照射到漫反射白板上，并采集完整的激光光斑图像；在对该图像进行预处理后，用高斯函数进行拟合[8]，便可得到输出激光的能量分布函数以及激光的最大输出角度β。

根据激光输出端与待测样品表面的距离，将梯形圆筒的高度设为H，顶端直径设为d，底端的直径设D，通过模拟仿真与优化设计确定补偿的角度。为了提高仿真的精度，设置经过梯形圆筒中轴线的某一纵切面P上包含N条光线，结合光源的配光曲线，光线角度分布为从-30度开始，步长为0.005度，一直计算到30度，每条光线都设置了能量权值，权值的大小确定公式为：

式中E：能量权值，e：常数，k：系数，γ：角度变量。

纵切面P与照射面相交得到交线L，N条线必然和交线L相交，把交线L等分成M份，把每个等分线段内的光线权值进行累加，即这一段内的能量，如图6所示。

图6仿真系统示意图

利用光的反射原理和解析几何知识，用Matlab（matrix&laboratory，美国MathWorks公司出品的商业数学软件）语言编写仿真程序，仿真结果表明，设置梯形圆筒大端直径不同，结果相差很大，如图7、图8所示。图7为大端直径太小，补偿过度，能量分布不理想；而图8为大端直径过大，能量分布同样不好，近似没有补偿。

为了获得理想效果，增加一个方差评价指标：

式中S：方差，Ei：能量权值，Eˉ：能量均值，n：常数）。

图7梯形圆筒大端直径过小

图8梯形圆筒大端直径过大

把角度α从小到大分别进行仿真，得到方差最小的能量分布[9]，如图9所示，获得了比较理想的能量分布，中间部分的能量集中约90.5%，有效面积内的辐照均匀性为91.6%，满足了光致发光在光伏缺陷检测领域的技术要求。

3总结

本文研究了梯形反射圆筒校正激光非均匀性的方法，设计参数主要包括光线发射角、光斑范围、检测目标位置等。MATLAB（matrix&laboratory，美国MathWorks公司出品的商业数学软件）仿真结果表明，通过扩束整形装置改变光斑大小，实现了有效测试面积内激光光源的均匀辐照，该方法对激光能量的损耗量约为10%。为了减少激光的能量损失，可在圆筒内壁镀上反射膜以提高反射率。本文提出的方法结构简单、易于实现，可在太阳电池光致发光缺陷检测系统中广泛应用。

图9激光经梯形反射圆筒校正前后的能量分布

[1]Shapiro L G,Stockman G C.Computer Vision.Prentice Hall.Upper Saddle R iver,2001.

[2]吕百达.激光光学[M].成都:四川大学出版社,1992.

[3]黄骝,张少军,李延廷.激光光束的空间整形理论基础及发展展望.北京工业大学学报, 2002,28(2):203-206.

[4]David L.Shealy.John A.Hoffnagle.Laser beam shaping profiles and propagation[J].Appl.Opt., 2006,45(21):5118-5131.

[5]徐秋云,李雅男,翟文超,郑小兵.激光散斑去除效果定量分析.光电工程,2010,37(5):32-36.

[6]陈爱军.MATLAB在数字图像处理CAI课件制作中的应用.系统仿真学报.2006,18(2): 973-975.

[7]张合,郭婧,张祥金.半导体脉冲激光光斑整形方法研究.南京理工大学学报（自然科学版）, 2010,34(5):592-595.

[8]Duda,R.O.,Hart,P.E.,Stork,D.G.Pattern Classification,2nd ed,John W iley&Sons,2001.

[9]Dougherty E R.Random Processes for Image and Signal Processing.IEEE Press,2000.

中交上海航道局有限公司节能宣传活动丰富多彩

上海节能宣传周期间，上海航道局在领导重视下，开展了多种多样节能宣传活动，广大职工踊跃参加，取得了较好效果。

一是大力开展节能宣传。公司利用企业内部报刊、互联网、板报、宣传栏、张贴标语等多种形式，传播节能理念，普及节能知识，展示公司节能减排的成绩，积极宣传“节能中交、低碳中交、绿色中交”理念，展示和塑造负责任的良好央企形象。

二是创新节能减排活动，形成全员参与局面。向全体员工发出“践行节能低碳，建设美丽园”活动倡议书，倡议牢固树立低碳环保理念，深化内部管理，从源头抓好节能减排，增强节能减排紧迫感、责任感和资源忧患意识。

三是组织参加上海市节能减排协会举办的节能低碳知识竞赛。公司共1833人参加，1715人取得满分好成绩，通过参加竞赛充实了员工节能减排专业知识，为节能减排工作的推进创造了条件。

四是张贴节能宣传画。在公司办公区域、施工现场、船舶的等显著位置，张贴了500张节能宣传画营造节能减排的良好氛围。

五是开展能源短缺体验和低碳日活动。在6月10日“全国低碳日”，公司号召广大职工少开一天车，上下班改乘公共交通、骑自行车或步行，公务出行乘坐公共交通或拼车出行等低碳行动。6月12日开展“能源紧缺体验日”活动，在不影响工作情况下，办公区域空调、公共区域照明停开一天，少用或不用电梯。

六是组织开展“我为节能减排献计策”评选活动。中港疏浚组织各部门、项目部、船舶为节能减排献计献策，共收集到计策百余条。通过活动为公司节能减排工作不断深化打下了基础。

（上航）

英研究咖啡渣用于制造生物柴油

英国巴斯大学可持续化学技术中心的最新研究，将废咖啡渣用于制造生物柴油取得初步成功，且有潜力成为可持续的第二代生物燃料来源。

该项研究通过一个被称为“酯基转移”的过程，将咖啡渣浸泡在有机溶剂中，便可提取出生物柴油。研究人员用产自20个不同地区的咖啡粉（包括含咖啡因和不含咖啡因）制成生物燃料，结果发现，不同来源的咖啡生成的生物燃料相关物理性能差别不大。研究表明，不同咖啡原料能生产出规格全面一致的生物柴油。

据介绍，小咖啡馆每天约产生10公斤废咖啡，可生产约2升的生物燃料。如扩大规模，咖啡生物柴油将有很大的潜力成为一种可持续发展的燃料来源。

（译：英国BBC）

The Uniform Design o f Laser Source for Photovo ltaic Defect Detection

Liu xiao yu

In order to so lve the p rob lem o f the non-uniform d istribution o f laser energy em itted by the fiber laser,we p resent a way to rea lize the uniform design o f laser system by use o f a trapezoida l re flec ting cylinder and sim u late and ana lyses the laser d istribution curve and the op tica l path o f laser be fo re and a fter the correc tion in order to get pa ram ete rs o f op tim ization.The result shows that the method of correc tion the non-uniform of laser is comp letely feasib le.

photolum inescence,uniform of laser,trapezoida l reflecting cylinder,simu lation o f op tical path

上海市科委科研计划项目，课题编号：11dz1203100，项目名称：太阳能光伏板故障诊断技术研究与示范。

刘小宇，工学硕士，上海太阳能工程技术研究中心的研发工程师，主要负责新型光伏检测装备的研发，先后负责了航天八院民用新产品“太阳电池组件碎片红外检测技术”项目和“太阳电池光致发光缺陷检测项目”、上海市科委科研计划项目“太阳能光伏板故障诊断技术研究与示范”、上海空间电源研究所的“太阳电池阵碎片自动检测系统”等，在光伏检测设备的研发方面积累了丰富的经验。