专利名称:对光伏及光电设备中的分流缺陷的高速探测的利记博彩app
技术领域:
本发明涉及探测光电设备中的缺陷。具体而言,本发明涉及高速成像以探测制造设施中的光伏电池与光电设备中关键分流(critical shunt)缺陷的方法。
背景技术:
由于电流分流的存在,光伏设备经常表现出性能劣化。可能在过程中各点引入这些分流,诸如遇到初始晶体质量、接触面过烧(contact over-firing)、在断裂边界处的表面条件、晶片边缘处的痕量金属(trace metal)沉积等问题。所引起的缺陷总体 (population)通常导致设备性能相对微小的整体劣化,该劣化在最后测试和分类(sort) 的过程中被合适地表征及解决。重要的是持续地减少分流缺陷总体以改进生产线结束时 (end-of-line)的成品率并将更多的电池移动到更高性能的箱子(bin),不过还必须考虑涉及长期的现场可靠性的更重要的效果。当考虑遮蔽安装于现场的模块上的由遮蔽引起的反向偏压的效果时,内嵌分流探测变得非常重要。在极端情况中,树枝、鸟或其他物品遮蔽单个电池一段时间,而该电池被置于由串联的相邻部件所引起的强反向偏压中。对传统的150mm硅电池而言,在其被遮蔽的时间段内,其被反向偏压到大于10V、电流5A并非是不同寻常的。很多电池能够没有损伤地经历这样的反向偏压条件,不过其他电池经历了如下所述的一定程度的损伤。表现出合理的反向偏压电流强度均勻性的传统硅电池一般在压力(stress)期间内将不会表现出可测得的损伤。在这种情况下,热负载被散布在整个电池上,仅在局部电池表面温度上有轻微的上升。含有相对小的分流的广泛网络的电池在反向偏压操作中可避免性能劣化,其中大的但是被良好地分布的缺陷强度有效地使用周围的硅作为温度接收器来防止局部过热。这种类型的电池可在生产线结束时的测试中由于分流网络而表现出相对较差的效率,但是不会由于遮蔽引起的现场性能劣化机理而经历进一步的性能劣化。反之,如果分流被集中在局部区域中或者分流缺陷较大,则具有与如上所述电池的类似性能及J-V特征的电池将会受损。在这种情况下,整个5A的反向偏压电流流经硅的较小区域,而较高的电流强度(用Amps/cm2表示)在数秒内可导致损伤电池的局部温度上升。由于这个效应,在各种商业电池,传统的硅或薄膜上可全部明显观察到接触面的非层叠、由于透明导电氧化物(TCO)损伤引起的变色以及封装层的熔化。局部受热还可危及层叠层、容许水汽进入电池并导致冷冻/解冻损伤或加速的腐蚀。这个损伤经常导致电池性质的永久劣化该电池不再根据原始J-V测试结果来工作,且由于模块中电池是串联的,模块效率成比例地减少。单片生长并被划线(scribe)为串联的电池的薄膜电池中出现了类似的效果,部分遮蔽可反向偏压一个电池并导致存在严重分流的区域内过热。薄膜电池经常会具有比传统体光伏材料甚至更差的热传导特性,故而可能比第一代电池更容易受到这种类型的现场劣化机理的影响。上述由于局部受热引起的电池劣化已被发现一段时间了,不过由于向公用事业尺寸的PV合同和购买协议的发展趋势,这变得越发重要。在过去的几年中,年复一年,主要的
4PV客户(业主)不太可能探测到模块性能的中等程度的下降。现代公用事业尺寸的设备, 然而,依赖于指定每个模块的精确的电力输出的电力购买协议(PPA)。正在研发监测每一个模块(有些情况中甚至是子模块)的电力输出的新技术,以使PPA可被有效地履行。当PPA有效的时候,如果可签署积极的性能保证,电池制造商在经济上受益,而在模块不能满足现场的长期性能目标的时候将受到处罚。当现场劣化机理受到控制并消除的时候,双方获益。由于此处讨论的遮蔽引起的机理的严重性,所需要的是内嵌筛查 (inline-screening)测试以探测表现出空间不均勻的电流的电池。该方案必须具有高的吞吐量(每分钟15个电池或者更快),必须表征整个电池(完整的晶片成像)且如果被用作生产线中的内嵌检验步骤时应该是具有成本效益的。
发明内容
本发明提供了分流检测设备,其包括用热隔离底座(mount)固定地持有的待测设备(DUT)、设置以向DUT提供定向偏压条件的电源、设置以从电源向DUT提供局部电源的探针、设置以测量处于定向偏压时自DUT的瞬时发射的发射探测器,此处所测得的瞬时发射输出作为来自发射探测器的瞬时数据。该分流缺陷探测设备还包括被合适地编程的计算机,其使用来自发射探测器的瞬时数据以确定DUT的升温速率(heating rate)并被设置为估算该DUT的过热风险级别,此处来自该计算机的输出根据该过热风险级别将DUT指定为合格状态、不确定状态、不合格状态或处理以装箱(process to bin)的状态。在本发明的一个方面中,发射探测器可包括光伏电池、光电二极管、热电堆探测器、微辐射计探测器、CCD摄像头、CMOS摄像头、热电偶或热敏电阻,其中在定向偏压条件下用电流来激励DUT的操作,并监测发射。在本发明的另一个方面,定向偏压条件可以是反向偏压条件或正向偏压条件。在进一步的方面中,DUT可包括至少一个太阳能电池、至少一个光检测器、至少一个(XD、至少一个CMOS成像设备、至少一个LED、至少一个固态激光器或有机金属光电子设备。根据另一方面,发射包括具有波长范围0. 4 μ m到20 μ m的光发射。在本发明的还有另一个方面中,瞬时数据可包括0.01到1200秒的时间范围。根据本发明的进一步的方面,功率被调制。在一个方面中,探针为DUT提供带有顺应电压的固定电流、或带有顺应电流的固定电压、或固定功率。在本发明的进一步方面中,热隔离底座可包括设置在基板和DUT之间的至少一个垂直悬浮针(vertical suspension pin)。根据本发明的一个方面,缺陷探测设备还包括控制样本,其中该控制样本根据至少一个控制样本材料提供校准温度以测量DUT的至少一个材料温度。在本发明的一个方面中,探针包括机械定位装置,这样可将探针定位在ΙΟμπι到 2mm范围的准确度内。在进一步的方面中,过热风险级别可包括诸如DUT电容、温度变化时间率、温度、 I-V特性、随施加到DUT上的电偏压而变化的由摄像头探测到的光发射、随施加到DUT上的定向电偏压而变化的由摄像头探测到的表面温度,此处定向电偏压可包括电压和电流波形,在DUT的反向偏压操作过程中由摄像头探测到的光发射的空间图案(pattern)、在DUT 的正向偏压操作过程中由摄像头探测到的光发射的空间图案、在所施加的电压或电流的条件下随时间改变的由摄像头测量到的表面温度。在本发明的还有另一个方面,发射探测器可包括具有在0.05mm到IOmm之间的定位递增的平移底座(translating mount)。在进一步的方面中,发射探测器可包括指出位于DUT不同区域处的热探测器的角度计。在进一步的方面中,发射探测器具有DUT的至少一个带宽的能量区域中的探测灵敏度。在本发明的另一个方面中,发射可包括发射频率和发射强度,其中发射可确保DUT 质量或DUT污染图案(contamination pattern)的确定。根据另一方面,设置第二电致发光的探测摄像头以探测带间发光或杂质辅助的发光,其中以DUT的热发射来表征电致发光的图案。根据一个方面,DUT的空间发射率变化通过在逐像素(pixel-by-pixel)基础上施加修正因子来补偿,此处确定DUT的过热潜在性(potential)。在本发明的另一方面中,在逐像素的基础上记录(address)DUT的所确定的温度变化并进行唯一地分析以在DUT关键位置处提供增加的灵敏度。在进一步方面中,在逐像素的基础上记录DUT的所确定的温度变化以修正来自下方或上方的样本夹持器的已知的散热片效应。根据本发明的一方面,分流缺陷探测设备还包括I-V测试器,其被设置为测量电池电流输出、电压、分流电阻、串联电阻、转换效率和填充因数,其中根据DUT制造商的标准将DUT合适地装箱。在本发明的还有另一个方面中,根据输出结果自动地将DUT转移到合格的箱子、 不确定的箱子、不合格的箱子或进一步测试的箱子。
通过结合附图阅读以下具体描述将理解本发明的目的和优点,其中图1示出根据本发明的分流缺陷探测设备的示意图。图2示出根据本发明的分流缺陷探测设备的示意图。图3a到3c示出根据本发明的固定探针的变型。图如到如示出根据本发明的一些示例PCB配置。
具体实施例方式尽管下述详细描述出于说明的目的包含诸多细节,然而任何本领域普通技术人员将容易理解对于下述示例性详述的许多变化和改变是落入本发明的范围内的。因此,下述本发明的优选的实施例不丧失任何一般性地,不强加限制地,阐述了要求保护的发明。根据本发明,太阳能电池,也被认为是光伏电池,是能吸收入射的太阳光(光子) 并将电能传递至外部负载的设备。以很多种形式提供的光伏电池包括铜铟镓二硒化物(CIGS)、非晶硅(a-Si)和碲化镉(CdTe),这些是典型的薄膜太阳能电池材料,还有晶态硅 (x-Si),这是用在传统太阳能电池中的一种类型的(一般)厚膜(不管是单晶还是多晶) 材料。在本申请中,摄像头是能从红外辐射通量的测量中形成一维或二维图像的任何设备。例如,摄像头可由红外传感器的二维阵列而构建,或者可以由带有能扫描样本区域并从所记录的数据集合中记录二维图像的移动光学元件的单个传感器而构建。进一步,摄像头可由红外传感器的一维阵列而构建,样本或摄像头可在至少一个方向上被扫描到以构建红外发射的二维图像。一般而言,术语“红外”被用于表示辐射的波长为700nm到Imm或者其中的子区域,而可见光波长可包括350nm到700nm。本发明涉及待测设备(DUT)的分流探测,其中分流是光伏太阳能电池中的一种局部缺陷,其容许在施加偏压电压时电流流经设备,该缺陷与理想的P-N结行为平行运作,且因此限制了该设备的输出电流。这个电流流动是不理想的,因为它降低了设备效率,并且如果在该分流缺陷处由于过度的电流强度发生局部过热的话,最终可导致设备的损伤。在本申请中,术语DUT可能是以下各项中的任何一项 单个太阳能电池 串联、并联或两者组合连接的太阳能电池集合。该集合可表示制造者的“模块”、 模块的集合或模块内的电池子集。 单个的、单片生长的太阳能电池模块(诸如玻璃衬底上的a-Si或钢上的CIGS) 光探测元件或阵列 光电二极管元件或阵列 电荷耦合设备(CXD)元件或阵列 光发射二极管(LED)元件或阵列 固态激光器元件或阵列 有机金属的光电子设备。本发明提供通过用电流激励该设备并监测所发射的光来在光电子设备(光伏电池、光发射二极管、光电二极管、固态激光器等)中提供分流缺陷探测。本发明探测被电反向偏压激励的光伏太阳能电池所发射的光,其中该发射的光可包括红外光、可见光和UV光。参看附图,图1示出根据本发明的分流缺陷探测设备100的示意图。如图所示,分流缺陷探测设备100包括用热隔离底座(mount) 104固定地持有的待测设备(DUT) 102、设置以向DUT提供定向偏压条件的电源106、设置以自电源向DUT提供局部电源的探针108、 设置以测量处于定向偏压时来自DUT102的瞬时发射的发射探测器110,其中所测得的瞬时发射输出作为来自发射探测器110的瞬时数据。应该明显看到,探测器110可以被安装在 DUT102之上或之下,其中优化位置由DUT102中的金属导体的位置所确定,该金属导体可能阻碍或屏蔽来自DUT102的热发射。例如,如果DUT102的背侧涂覆有金属,可将摄像头(发射探测器110)安装在被设置为查看DUT102的前侧的地方。该分流缺陷探测设备还包括被合适地编程的计算机112,其使用来自发射探测器 110的瞬时数据以确定DUT102的升温速率并被设置为估算该DUT的过热风险级别,其中来自该计算机112的输出114根据该过热风险级别将DUT102指定为合格状态、不确定状态、不合格状态或处理以装箱的状态。图1中进一步示出χ-y平移台116和平台安装框架 120,该平台安装框架被设置为当通过探针108施加定向偏压的时候,将安装在PCB118上的 DUT102放置在发射探测器110之上。另外,缺陷探测设备100还包括控制样本122,其中该控制样本122根据至少一个控制样本材料而提供至少一个校准温度以测量DUT102的至少一个材料温度。在图1和图2中,提供软件接口 114以容许用户从多个算法中进行选择、控制限制、并从所得出的(archived)数据集合中重新计算合格/不合格的结果,从而用户可评估各种算法的结果并控制静态过程控制数据的限制。进一步,该软件程序可被设置为将 “合格”、“不合格”和“不确定”结果绘制为以下各项的函数时间、样本ID、样本类型、衬底批次(batch)、衬底制造商(vendor)、变化和/或操作者,以及可用于排序数据的其他参数, 诸如用于产生给定电池的上游处理设备(炉ID等)的标识或用于在处理给定电池过程中的处理参数(炉温度等)。附加地,该软件程序可被设置为使用时间、样本ID、样本类型、衬底批次(batch)、衬底制造商(vendor)、变化和/或操作者、用于产生给定电池的上游处理设备(炉ID等)的标识或用于在处理给定电池过程中的处理参数(炉温度等)来关联或建议“不合格”样本的潜在原因。进一步,软件程序可被设置为计算一种参数,此处命名为 “严重性”,用于表征样本的过热潜在性。此处,严重性参数被用于表征样本的过热潜在性, 其从对以下参数中的一个或组合的数学分析中得出眷摄像头探测到的,随施加到DUT的电偏压(电压与电流波形)而变化的光发射。 摄像头测量到的,随施加到DUT的电偏压(电压与电流波形)而变化的表面温度。 所测得的电池电容。 在DUT反向偏压操作过程中由摄像头探测到的可见光或红外光发射的空间图案。 在DUT正向偏压操作过程中由摄像头探测到的可见光或红外光发射的空间图案。眷在所施加的电压或电流的特定条件下,随时间改变的由摄像头测量到的表面温度。在实现的一个方面,使用热隔离底座104提前将DUT102到PCB118,DUT102被置于平台安装框架120上用于快速处理。这个过程可以是自动的,或手动地完成。本领域内技术人员应很清楚,还可将发射探测器110设置在平移台116上以确保更好的测量灵活性。图2示出本发明的可选实施例200,其示出固定探针202,该固定探针202被设置为通过探针尖端204提供局部的定向偏压,除此之外还被设置为固定地夹持DUT102的。在图3a-3c中提供了固定探针202的更详细的讨论。在一个方面,发射探测器110可以是一个或多个热电堆探测器,其用于在向该设备施加反向偏压条件的过程中或随后,测量DUT102发射的红外光。进一步,发射探测器100 可以是一个或多个微辐射计探测器,其用于在向该设备施加定向偏压条件,例如反向偏压条件的过程中或随后,测量DUT102发射的红外光。本发明可测量来自DUT102的随时间变化的红外光发射,并分析所得数据组以预测该设备在现场操作中将过热的风险。在一个方面中,本发明仅获取少量数据[一般0. 1到10秒]并使用基于模型的曲线拟合算法来外推
8所预测的温度vs.时间。根据一个实施例,本发明包括调整测试序列的控制器(计算机112或电路)以、电源供应106或具有> 0. 05Hz频率响应的放大器。在优选实施例中,使用10-5000HZ的频率响应。当前实施例还包括探针装置108/202,其能自动地或在操作者的协助下与DUT102 电接触,并通过探针108/202将电流传递给DUT102。作为示例,人可使用连接DUT102和源 106的带有电开关的电流或电压源。发射探测器110可进一步包括摄像头或摄像头阵列,其用于在测试序列期间测量DUT102的表面温度。此处,摄像头可包括一个或多个热电堆探测器、或者一个或多个微辐射计探测器、或者一个或多个红外敏感的光探测器。在本发明的一个方面中,可由与DUT的表面接触或位于其邻近处的热电偶或热敏电阻阵列来测量该表面温度。被充分地编程的计算机112包括算法,其控制施加到DUT102上的测试序列与条件, 其中可根据所施加的电流和/或所施加的电压的时序(timing)来规定测试序列。进一步, 本发明可包括算法,其从摄像头中收集红外数据的序列并数学地表征或预测DUT102的过热潜在性(此处称为“严重性”)。在一个方面中,该算法使用所测得的红外特性作为时间的函数,在约一秒内预测过热严重性,或者使用所测得的红外特性作为时间的函数,并动态地调节测试的长度直到确定了结论性结果或者已经达到了超时时段。根据一个实施例,被充分地编程的计算机112容许用户存储、分析并审阅之前获得的数据与结果。在本发明的一个方面中,设置机器视觉系统,在测试开始之前,手动地或自动地将电接触放置在合适的位置。根据本发明的一个方面,分流缺陷探测设备200将顶部发射探测器110替换为I-V 测试器111(示于DUT102的顶部),而图1中的底部发射探测器110仍保持在位,分流缺陷探测设备200有I-V测试器111,其设置为测量电池电流输出、电压、分流电阻、串联电阻、转换效率和填充因数,其中根据DUT102制造商的标准,将DUT合适地装箱(binned)。在进一步的方面中,在与上述类似的配置中,设置第二电致发光的探测摄像头 110来探测带间发光或杂质辅助的发光,其中以DUT102的热发射来表征电致发光的图案 (pattern)0图3a_3c示出根据本发明的固定探针变型300,其中,示出带有穿孔通孔302的 PCB118,和安装在PCB118的顶部表面上的转轴304。转轴304可以是导电的或绝缘的轴,各独立的导线连接到探针尖端204的端部,取决于下述的所需的配置,探针尖端204也可以是导电的或绝缘的。DUT102 —般每个pn结具有两种类型的触片(正和负极性),且它们可被这样配置a)分别在DUT102的前与后,b)都在前,c)都在后。固定探针204和DUT102支撑装置可配置为按需要与前后触片电接触,而同时最小化去往或来自DUT102的热传导。参看图3a,固定探针尖端204和转轴304是电绝缘的,DUT102设置在支撑脚306上,该支撑脚是导电的且经由通孔302电连接到PCB118上的底部导电表面308上,其中阴影区域表示导电材料,穿过通孔302并带有一些支撑脚306的非阴影区域代表绝缘材料。绝缘探针尖端 204转下至DUT102并保持其在位,此时导电脚306向DUT102提供一种极性的偏压。第二极性被传递到DUT102的独立区域,并使用独立的后面板(backplane)来隔绝信号极性。导电的DUT区域310图示在DUT102的底部表面上,其与控制器106的一个端子相连,而PCBl 18 上的底部导电表面308的独立区域与控制器106的另一端子相连以为分流探测提供定向偏压。图北示出导电的固定探针尖端204与转轴304导电地连接到PCBl 18上的底部导电平面308,支撑脚306是绝缘的。导电的探针尖端204转下到DUT102以实行电接触并保持其在位。导电的DUT区域310图示为在DUT102的顶部表面上,其与控制器106的一端子以及PCB118上的底部导电表面308相连接。第二探针,与探针尖端204的功能相同,向 DUT102的前部提供第二电接触,并与控制器106的另一端子连接以提供用于分流探测的定向偏压。可将绝缘支撑脚306插入以提升DUT102来减少DUT102与PCB或下面的支撑结构之间的热流动(heatflow)。图3c示出导电的固定探针尖端204与转轴304导电地连接到PCB 118的底部导电平面308。支撑脚306是压配合(press-fit)的脚,其也是导电的并且与PCBl 18上的顶部导电平面312导电连接。导电的探针尖端204转下到DUT102以保持其在位。旋转之后, 在DUT表面接触面310和探针尖端204之间实现电连接,其中导电探针尖端204与PCBl 18 上的底部导电表面308以及控制器106的一端子相连。通过导电支撑脚306实现到DUT102 的背侧的第二接触,其连接到顶部导电表面312并与控制器106的另一端子相连接以提供用于分流探测的定向偏压。可以根据需要的配置而改变支撑脚306和探针尖端204的数量与组合,其中导电与绝缘的任何组合都是可能的,只要不背离将DUT102固定地夹持在一平面中并使其平直, 并对齐提供定向偏压的精神。图如-如示出一些示例性PCB配置400,其中示出的是带有旋转致动器402的转轴 304,其中可手动地或自动地操作旋转致动器以放置探针尖端204。图如示出当将PCB118 用于对DUT102(未示出)的透射率评估时的具有开口 404的PCB118。进一步在图中示出PCB118,其具有导电地连接的第一极导电通孔406组和导电连接的第二极导电通孔 408组,其中相应组具有相反的极性。图如示出PCB118,其具有单种导电连接的导电通孔 408 组。提供接下来的示例,不限制本发明范围地进一步描述数据的获得和使用示例1 在时间T = 0秒时施加-6A的阶梯函数电流,在1. 5秒的全部时间内以 0. 15为时间间隔记录表面温度图像。分析该表面温度图像集合来确定升温速率和/或推知每个像素的最大温度。然后可处理来自所有像素的结果的集合(平均、空间地过滤以排除边缘效应、空间地分析以确定分流的数量和/或位置、空间地分析以确定随位置变化的变化率(在度/单元长度为单位)、经由直方图收集(binned via histogram)以分析像素的仅仅一部分,等等)以产生最终的结果,诸如“合格”、“不合格”、“不确定”,或者从一个或多个所测得的参数中得出的指示该电池的过热潜在性的数学指示符。示例2 将脉冲方波电压波形施加到DUT,其峰值电压=-10V、最小电压=0V,频率 =4. 5Hz。以9Hz频率测量表面温度图像,分析所得的数据来确定升温速率和/或外推在每个像素处的最大温度。然后可如示例1所描述的那样处理该组结果。示例3 在时间T = O秒时施加-4A的阶梯函数电流,在设定的时间(如,60秒) 以0. 15为时间间隔为用户或算法记录表面温度。分析表面温度图像集合以找出在测量周期上的最大温度,以及在整个测量过程中观察到的最大升温速率。然后可如示例1所描述的那样处理结果的集合。
根据本发明的一个方面,还可测量该电池的电流一电压(I-V)或电流强度一电压 (J-V)特性并用作为严重性计算的一个分量。例如,带有大的反向偏压电流泄漏的电池相比低的反向偏压泄漏的电池具有较高的过热潜在性。接下来的示例在不限制本发明范围的情况下,提供了关于这个方面的说明。示例4 如上所述,计算最大升温速率。将这个结果乘以施加-4V电压时测得的反向偏压电流(或者反向偏压电流的函数)。可使用其结果(如,单位为安培*摄氏度/秒) 作为太阳能电池过热严重性的指示符。根据本发明的另一个方面,可以用直方图的形式(该直方图,在这个情况下,是绘制的像素数量或百分比vs.严重性)来表达“合格”、“不合格”和“不确定”的控制限制标准,并应用到测量输出中以确定测试结果。可使用该算法来分析单个图像或图像序列并将观察到的直方图与控制限制直方图进行比较。在这个方法的可选形式中,可使用累加的可能性(其严重性位于或低于特定严重性级别的像素的数量或百分比)作为直方图控制限制。在其最简单的实现中,严重性参数就仅仅是等于温度。在更为复杂的实现中,严重性参数是上述所测得的参数[电容、温度变化的时间率、温度、ι-ν特性等等]的函数。在本发明的进一步方面中,可设计参考样本122并使用其来产生已知的表面温度。可以将这个样本122手动地或自动地放置在红外摄像头视野中以在指定时间间隔时提供独立的温度校准值。在一个实施例中,参考样本122是排列成二维阵列的电阻元件的组合。驱使电流通过每个电阻元件以实现所需的功率耗散。在另一个实施例中,参考样本122可以是使用参考摄像头或接触温度测量(热电偶、热敏电阻等等)预先校准的,所以已知每个电阻元件的表面温度随温度而变化。在进一步的实施例中,参考样本122可包括与每个电阻热耦合的集成的温度传感器,所以每个电阻元件上的表面温度可以从参考样本电子地读取。可通过将红外摄像头记录的表面温度与来自参考样本122的表面温度进行比较而实现摄像头校准。此处,以函数形式(例如,实际温度=A*所测得的温度+B,或者更为复杂的函数形式)或者所测得的温度相对于实际温度的查找表来存储这些结果。可选地,可将独立的校准公式或查找表应用到每个像素上以修正摄像头中的像素对像素的非均勻性。 可使用相同类型的逐像素的校准因子来修正样本上的发射率变化的已知图案,例如,增加在低发射率区域所报告的(测得的)温度。根据一个方面,通过在逐像素基础上施加修正因子来补偿DUT102的空间发射率变化,从而确定DUT102的过热潜在性(potential)。在本发明的另一方面中,DUT102的所确定的温度变化被记录(address)并在逐像素的基础上唯一地分析以提供在DUT102上关键位置处提供增加的灵敏度。在进一步方面中,在逐像素的基础上记录DUT102的所确定的温度变化以修正来自下方或上方的样本夹持器的已知的散热片效应。在另一个方面中,本发明包括合适地编程的计算机112,其具有算法,该算法分析热图像组和上述其他参数并计算DUT102是否应该“合格”、“不合格”或者标记为“不确定”。在AC电源不处于电压、电流或频率规范之内的时间段中,本发明可进一步包括不间断电源106,其被用于容许,以下项中的一个或多个
连续的、不间断的系统操作。 系统的成功的系统关闭,其保留截至这个时点之前获得的所有数据。 晶片处理操作的成功完成以保证样本完整性。在本发明的进一步方面中,提供了一外壳,其防止漫射光辐射(可见光和/或红外光)到达摄像头。附加地,可提供外壳,其防止用户意外地在测试过程中接触到电池。可提供摄像头底座,其容许摄像头以一个角度定位,从而摄像头的热信号不会由样本反射回摄像头,这防止了热的摄像头传感器在反射中“看到自己”。进一步,提供了底座,其保持住材料块,从而由样本将材料的图像反射到摄像头中。可将材料块的温度稳定或冷却以提供测量用的可重复的背景信号,并将所反射的图像对整体测量的噪声贡献最小化。根据本发明的一个方面,可设置自动的或手动操作的门来容许在打开的时候样本加载或样本卸载,且其被联锁住(interlocked)以防止系统操作直到门被合适地关闭。在进一步的方面中,提供了一个平台,其被设置为以χ-y增量(一般为 0. 05mm-10mm)平移摄像头或样本,该χ-y增量小于单个摄像头像素在样本的平面处测得的空间分辨率。可获得图像序列来用超出任何一个图像的分辨率的空间分辨率构建图像。例如,如果使用30*30元素的红外摄像头来测量150mm*150mm的DUT的表面温度,则样本平面上的空间分辨率是150mm/30 = 5mm。在这个情况下,可使用χ-y平台(stage)来在两个图像之间在χ-方向平移摄像头(例如空间分辨率(2. 5mm)。可比较这两个图像,其中可计算单个图像,其χ-分辨率好于两个原始图像中的任何一个。可以在χ-和y_方向重复这个过程以实现增强的二维分辨率。由于热电堆、微辐射计和其他现有可用的红外探测器具有相对低的空间分辨率,根据本发明的这种分辨率加强技术对于实现可接受的空间分辨率是重要的。在一个方面,提供了一平台,其类似于上述的平台,不过设置为以超过现场视角尺寸的距离来横向地平移该样本或摄像头。例如,该系统可在被选择为距离现场视角摄像头几乎相等的距离处获得数个图像,然后将这些图像拼合为一个大的图像供后续分析。由于热电堆、微辐射计和其他现有可用的红外探测器具有相对低的空间分辨率,根据本发明的这种拼合技术对于实现可接受的空间分辨率组合和现场视角是重要的。在进一步的方面中,提供摇摆装置(角度计),其被设置为将摄像头指向样本的不同区域。可使用小的摇摆动作来产生子像素图像变化以用于分辨率加强的目的(如上所述)。可使用大的摇摆动作来按照现场视角的顺序产生图像变化以用于将图像拼合为较大现场视角的单个图像(如上所述)。上述发明可进一步由其他部件组成,以提供表征太阳能电池的性能以及可导致电池性能下降的分流的存在的独特能力。其他部件可包括用于测量太阳能电池的转换效率的发光的J-V测试器。其他部件进一步包括过滤器,其用于修改灯的光谱从而更好地匹配所需的太阳光谱;将探针放在DUT102的合适区域上以使可测量在各种电负载及照明条件下的电流输出的设备;机械分类设备,其基于J-V(测得的转换效率、电流输出等)和缺陷特性,容许组合的J-V和缺陷测试器将样本分类到离散数量的箱子内;温控的卡盘,其容许每个样本在预确定的温度下被测量;和外壳,其防止用户被暴露于不安全的辐射级别和/或
12不安全的电能量,和/或不安全的机械伤害。根据本发明的进一步的方面,提供了电致发光成像系统,其设置为在正向偏压 (LED操作方案)和/或反向偏压的过程中从样本处获得发射。此处,用于监测发光的摄像头可具有在待监控材料的带隙或多个带隙附近的区域中的敏感性(例如,x-Si附近的光子能量为1. leV,而硅锗则是0.7eV,等等)。正向偏压的电致发光图像,当相对发射频率或强度而对其加以分析的时候,可被用于监测样本质量和污染图案。这些图像可提供对于污染源的提示(指纹、来自机器晶片处理者的图案、组装线滚轮留下的线性轨道,等等)。可使用反向偏压和正向偏压图像来提供分流缺陷整体(population)的高分辨率的图像。尽管分流缺陷发射的在短波(UV-VIS-NIR)区域的光子远少于红外,可用硅、GaAs或其他相对短波探测器进行长期的曝光来提供比现有的热电堆或微辐射计技术更高分辨率的图像。在本发明的进一步方面中,从上述装置的电子或物理指引信息(来自DUT102的缺陷或特征的地图)到集成或独立的系统的转移(为了重新定位这些特征或缺陷的目的)。 重新定位可用于,但不限于,编辑DUT102以用激光器、溅射系统、化学处理(诸如沉积、熔化或钝化)或者被用于直接地或间接地增加DUT102的材料或电性质的任何其他技术来移除或改变缺陷或特征。进一步,重新定位包括通过光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、化学探针或其他分析技术来分析以调查DUT102的缺陷或特征区域。现已根据若干示例性实施例描述了本发明,这些实施例在所有方面都旨在是解说性的,而非限制性的。因此,在本发明在具体实施中可以有许多变化,这许多变化可以由本领域普通技术人员从这里所包含的描述中推导出。例如,这些测量可被应用到已结合在一起的一串DUT上、DUT矩阵(大于一串的组合)上、或者完全制造好的含有多个DUT的模块上。作为另一个示例,可用多种透镜或反射部件来辅助来自DUT的发射的收集。作为第三个示例,可使用各种波长选择过滤器来阻止不想要的发射到达探测器,同时允许感兴趣的信号到达探测器。作为第四个示例,DUT夹持装置可被替换为传统的夹持装置,诸如真空吸盘。作为第五个示例,可使用多个前后接触点来充分地支撑样本并提供合适的低电阻路径来传导DUT电流。作为第六个示例,可添加额外的隔离接触片来支持在设备上的3-端(或多端)测试。作为第七个示例,可使用多个PCB来容纳到设备的额外接触片。作为第八个示例,可将此处描述的PCB替换为另一个能提供充分支撑的材料,可且该PCB可被适当地修改以将合适的电流导入或导出DUT。所有这些变化均视为落在由下面的权利要求书及其法律等效方案定义的本发明的范围和精神内。
权利要求
1.一种分流缺陷探测设备,包括a.待测设备(DUT),其中所述DUT由热隔离底座所固定地持有;b.电源,其中所述电源设置为向所述DUT提供定向偏压条件;c.探针,其中所述探针设置为从所述电源向所述DUT提供局部电源;d.发射探测器,其中所述发射探测器被设置为在处于所述定向偏压条件时测量来自所述DUT的瞬时发射,其中所述所测得的瞬时发射输出作为来自所述发射探测器的瞬时数据;和e.被合适地编程的计算机,其中所述被合适地编程的计算机使用来自所述发射探测器的所述瞬时数据来确定所述DUT的升温速率,并设置为估算所述DUT的过热风险级别,其中根据所述过热风险级别,所述计算机的输出将所述DUT指定为合格状态、不确定状态、不合格状态或处理以装箱的状态。
2.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其中所述发射探测器选自由以下项构成的组光伏电池、光电二极管、热电堆探测器、微辐射计探测器、CCD摄像头、CMOS摄像头、热电偶、热敏电阻,其中所述DUT的操作是在所述定向偏压条件下用电流来激励的,且所述发射被监测。
3.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述定向偏压条件包括反向偏压条件或正向偏压条件。
4.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述DUT选自由以下项构成的组至少一个太阳能电池、至少一个光检测器、至少一个(XD、至少一个CMOS成像设备、至少一个LED、至少一个固态激光器、和有机金属光电子设备。
5.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,所述发射包括具有波长在 0. 4 μ m至IJ 20 μ m范围之间的光发射。
6.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述瞬时数据包括0.01到 1200秒的时间范围。
7.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述电源被调制。
8.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述探针向所述DUT提供带有顺应电压的固定电流、或带有顺应电流的固定电压、或固定功率。
9.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述热隔离底座可包括设置在基板和所述DUT之间的至少一个垂直悬浮针。
10.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,还包括控制样本,其中所述控制样本根据至少一个控制样本材料而提供至少一个校准温度用于测量所述DUT的至少一个材料温度。
11.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,所述探针包括机械定位装置,其中所述探针可以ΙΟμπι到2mm范围之间的准确度而定位。
12.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,所述过热风险级别包括选自由如下项组成的组中的参数DUT电容、温度变化时间率、温度、I-V特性、随施加到DUT上的所述定向电偏压而变化的由摄像头探测到的光发射、随施加到DUT上的所述定向电偏压而变化的由摄像头探测到的表面温度、在所述DUT的反向偏压操作过程中由所述摄像头探测到的光发射的空间图案、在所述DUT的正向偏压操作过程中由所述摄像头探测到的光发射的空间图案、在所施加的电压或电流的条件下随时间变化的由所述摄像头测量到的表面温度,其中所述定向电偏压包括电压和电流波形。
13.如权利要求12所述的分流缺陷探测设备,其特征在于施加到所述DUT上的电偏压包括电压和电流波形。
14.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述发射探测器包括平移底座,其具有范围在0. 05mm到IOmm之间的定位增量。
15.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述发射探测器包括角度计, 以将所述发射探测器指向所述DUT的不同区域。
16.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述发射探测器具有在所述 DUT的至少一个带隙的能量区域内的探测灵敏度。
17.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述发射探测器包括发射频率或发射强度,其中所述发射能确定所述DUT的质量或所述DUT的污染图案。
18.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,设置第二电致发光的探测摄像头以探测带间发光或杂质辅助的发光,其中以所述DUT的所述热发射来表征电致发光的图案。
19.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于所述DUT的空间发射率变化通过在逐像素的基础上施加修正因子来补偿,其中确定DUT的过热潜在性。
20.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于记录所述DUT的所确定的温度变化,并在逐像素的基础上唯一地分析以提供在所述DUT中的关键位置处的增加的灵敏度。
21.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于,在逐像素基础上记录所述 DUT的所确定的温度变化以修正来自下方或上方的样本夹持器的已知的散热片效应。
22.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,还包括I-V测试器,其中所述I-V测试器被设置为测量电池电流输出、电压、分流电阻、串联电阻、转换效率和填充因数,其中根据 DUT制造商的标准,所述DUT被合适地装箱。
23.如权利要求1所述的分流缺陷探测设备,其特征在于根据所述输出状态自动地将所述DUT转移到合格的箱子、不确定的箱子、不合格的箱子或进一步测试的箱子中。
全文摘要
本发明提供了分流缺陷探测设备,其包括用热隔离底座固定地持有的待测设备(DUT)、设置为向DUT提供定向偏压条件的电源、设置为从该电源向DUT提供局部电源的探针、设置为在定向偏压条件下测量自DUT的瞬时发射的发射探测器,其中所测得的瞬时发射作为来自发射探测器的瞬时数据输出到被合适地编程的计算机,其使用该瞬时数据来确定DUT的升温速率,并设置为估算DUT的过热风险级别,根据该过热风险级别,计算机的输出将DUT指定为合格状态、不确定状态、不合格状态或处理以装箱状态。
文档编号G01R31/26GK102365558SQ201080015729
公开日2012年2月29日 申请日期2010年2月8日 优先权日2009年2月7日
发明者G·S·霍纳, J·E·赫德森, J·M·施米特, L·A·瓦西里耶夫 申请人:拓科学股份有限公司