[0001]
技术领域
[0002] 本
发明属于
钙钛矿太阳能电池制造技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置及方法。
[0003]
背景技术
[0004] 在钙钛矿
太阳能电池的生产过程中，钙钛矿薄膜质量的好坏直接影响钙钛矿电池性能的优劣。目前对钙钛矿薄膜质量的检测手段主要有两种，一种是微观检测手段，如利用
X射线衍射仪（XRD）表征钙钛矿薄膜的结晶程度；利用扫描
电子显微镜（SEM）观察钙钛矿薄膜的微观形貌；利用
原子力显微镜（AFM）测试钙钛矿薄膜表面平整度等，这些微观检测手段不仅测试
费用昂贵、制样繁琐、测试时间长，而且很难整合到实际的生产线中，无法满足后续钙钛矿
电池组件的批量化生产要求。而另一种检测手段是使用常规
光谱检测，如紫外可见漫反射谱（UV-vis）、
荧光光谱（PL）等，也因价格昂贵，光路
精度要求高，测试耗时等因素，限制了其在生产线中的大规模应用。
[0005] 另一方面，钙钛矿薄膜的反应程度也会直接影响钙钛矿薄膜的质量，而目前对钙钛矿薄膜反应程度的判断尚未见到有效的方法。无论是溶液法还是气相法制备钙钛矿薄膜，只有当几种前驱体的摩尔量符合化学计量数之比时，钙钛矿薄膜才能充分反应，当其中一种前驱体的量不足时，钙钛矿就会出现反应不充分的情况。以最常见的MAPbI3钙钛矿材料为例，它是由MAI和PbI2两种前驱体通过化学反应转化而成，当MAI前驱体的量不足时，钙钛矿的转化不充分，此时薄膜中会残留较多的PbI2前驱体，使得钙钛矿薄膜在光照下，从
正面（入光面为正面，即导电玻璃基底这一面）看去会呈现淡黄色，说明钙钛矿薄膜对可见光的吸收尚不充分。当MAI的量逐渐符合化学计量数之比时，MAPbI3的反应程度逐渐达到充分状态。在这一过程中，从正面观察钙钛矿薄膜所呈现出来的
颜色变化会从淡黄色逐渐变为青绿色，再到淡蓝色，最后到紫色，这也从侧面印证了钙钛矿薄膜对光的吸收逐渐扩展至整个可见光范围。钙钛矿薄膜的这种颜色变化过程恰好为我们提供了一种判断其反应程度的指标。
[0006] 机器视觉是一种使用机器代替人眼进行检测和判断的工业系统，其通过图像拍摄装置摄取待检测样品的图像信息，并传输至专用的
图像处理系统。图像处理系统会将检测样品的颜色、
亮度、均匀性等信息转换成数字
信号，并与
数据库中的标准样品进行比对，从而做出判断和筛选，并将结果反馈给现场工作的设备和检测人员。相比于人工检测与筛选，机器视觉大大提高了样品检测的准确性和生产效率，并在一些不适合人工作业的危险环境中发挥着重要作用。机器视觉的应用越来越广泛。
[0007]
发明内容
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于机器视觉的、快速、高效、无损的钙钛矿薄膜质量在线检测装置及方法，解决了现有微观检测和常规光谱检测钙钛矿薄膜所带来的测试昂贵、耗时长、无法整合到实际生产线中的问题，同时，能够在不损伤钙钛矿薄膜的前提下，对其反应程度进行判断，大大提高了检测效率和检测的准确性。
[0009] 本发明是这样实现的，提供一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置，在钙钛矿电池组件生产线分别从左到右依次设置有前序制备段、在线检测段与后序制备段，在所述在线检测段设置有检测装置，所述检测装置对前序制备段中制备完的含有钙钛矿薄膜样件进行在线检测后再把样件传送到后序制备段，所述检测装置包括带灯罩的无影
光源、工业相机、集成
支架、背景板、驱动装置、传送装置及控制中心，所述无影光源和工业相机设置在集成支架上且位于样件的上方，在所述灯罩的顶部设置观察窗口，所述工业相机透过观察窗口对样件进行拍摄，所述背景板位于样件的下方，所述驱动装置设置在集成支架上，所述驱动装置分别带动无影光源和工业相机上下及前后移动，并受控制中心控制；所述工业相机与控制中心相互进行数据连接，在所述控制中心内设置了图像处理系统用于将工业相机拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断。
[0010] 进一步地，所述集成支架包括两条
水平
导轨和两条竖直导轨，所述两条水平导轨设置在两条竖直导轨之间，所述无影光源和工业相机分别设置在两条水平导轨上且工业相机位于无影光源正上方，所述驱动装置分别设置在两条竖直导轨和两条水平导轨上，所述驱动装置包括带动无影光源上下移动的光源竖直移动组件、带动工业相机上下移动的相机竖直移动组件，带动无影光源前后移动的光源水平移动组件，以及带动工业相机前后移动的相机水平移动组件。
[0011] 进一步地，所述无影光源为穹顶光源、环形光源、碗形光源、桶形光源、四面可调光源、四边形漫反射无影光源、跑道形漫反射无影光源中的任意一种，或者上述光源间的相互组合后的组合型光源。
[0012] 进一步地，所述无影光源包括
LED灯、卤钨灯、
荧光灯中的任意一种，所述无影光源的总照度大于1000 lx。
[0013] 进一步地，所述工业相机包括CCD相机、CMOS相机、
数码相机中任意一种，其拍摄
像素在100万以上。
[0014] 进一步地，在所述灯罩的内壁涂有漫反射涂层。
[0015] 进一步地，所述背景板的颜色为黑色。
[0016] 进一步地，所述检测装置还包括
位置传感器，所述
位置传感器设置在在线检测段的入口处，其结合传送装置的速度对样件在传送装置上的位置进行
定位。
[0017] 本发明是这样实现的，提供一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测方法，其采用如前所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置，包括以下步骤：第一步，由传送装置将前序制备段中制备完的含有钙钛矿薄膜样件传送至在线检测
段；
第二步，当钙钛矿薄膜样件停在
指定位置后驱动装置驱动无影光源下降，并对钙钛矿薄膜样件的指定区域进行打光，同时工业相机也在驱动装置的驱动下下降至无影光源的观察窗口的正上方对钙钛矿薄膜样件进行自动对焦，并对该钙钛矿薄膜样件的打光区域进行拍照，将图像信息传至控制中心；
第三步，控制中心在接收图像信息后立即通过图像处理系统与已存储在其数据库中标准钙钛矿薄膜图像信息进行比对，判断该片的钙钛矿薄膜打光区域的质量好坏，并显示检测结果；
第四步，完成一个打光区域的拍摄后，无影光源与工业相机将在驱动装置的驱动下沿传送装置的垂直方向同步移动，对钙钛矿薄膜样件该方向上的其他区域进行相应地拍摄；
第五步，拍摄完成之后，钙钛矿薄膜样件在传送装置的传送下移动一定距离，重复第一步骤至第四步骤直至完成整片钙钛矿薄膜样件表面的质量检测；
第六步，完成对整片钙钛矿薄膜样件的检测后，由控制中心发出指令，检测合格的钙钛矿薄膜样件被传送装置传送到后序制备段，而检测不合格的钙钛矿薄膜样件将返回前序制备段继续反应或取出回收处理。
[0018] 进一步地，在上述步骤中，所述传送装置的传送速度范围为1mm/s至400mm/s，所述驱动装置的传动速度范围均为1mm/s至200mm/s，所述无影光源在驱动装置的驱动下下降至钙钛矿薄膜样件上方1mm至200mm处。
[0019] 与
现有技术相比，本发明的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置及方法，首先将待检测的含有钙钛矿薄膜样件正面朝上地放置于传送装置上，由传送装置传送至检测装置下进行在线检测。检测装置的无影光源对样件表面进行照射，工业相机通过无影光源的观察窗口对照射区域进行拍照并将拍摄的照片通过数据线直接传输至控制中心，图像处理系统将刚拍摄出的钙钛矿薄膜照片与其数据库中保存的标准钙钛矿薄膜照片进行比对，通过分析色差、均匀性、
缺陷态等指标的偏差率判断此片钙钛矿薄膜质量的好坏。检测合格的钙钛矿薄膜样件被传送装置传送到后序制备段，而检测不合格的钙钛矿薄膜样件将返回前序制备段继续反应或者取出另外处理，从而实现对样件的钙钛矿薄膜质量及反应程度进行快速、有效、准确、无损地在线检测和筛选，大大提高了样件产品的生产效率和良品率。
[0021] 图1为本发明的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置一较佳
实施例的立体示意图；图2为图1的侧视图；
图3为图1中带灯罩的无影光源一较佳实施例的剖视图；
图4为无影光源结构剖视图。
[0022]
具体实施方式
[0023] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024] 请同时参照图1、图2和图3所示，本发明基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置的较佳实施例，在钙钛矿电池组件生产线分别从左到右依次设置有前序制备段1、在线检测段2与后序制备段3，在所述在线检测段2设置有检测装置4，所述在线检测装置对前序制备段1中制备完的含有钙钛矿薄膜样件A进行在线检测后再把样件A传送到后序制备段3。所述样件A预先将不含钙钛矿薄膜的正面朝上放置在传送装置上。样件A正面朝上中的正面是指
钙钛矿太阳能电池的入光面，即导电玻璃一面，而制备有钙钛矿薄膜的一面为背面。所述传送装置为光伏行业内常用的电池生产线传送装置。
[0025] 待检测的样件A所含有的钙钛矿薄膜包括一步溶液法、两步溶液法、多源共
蒸发法、
化学气相沉积法、近场蒸发法等方法制备得到。在钙钛矿薄膜材料ABX3中，其中A为甲胺+ + + + 2+ 2（CH3NH3 、MA）、甲脒（CH3(NH2)2 、FA）、铯（Cs）、铷（Rb）中的任意一种；B为铅（Pb ）、
锡（Sn+）、锗（Ge2+）中的任意一种；X为氯（Cl-）、溴（Br-）、碘（I-）中的任意一种。
[0026] 在本实施中，所述传送装置是整条传送线，将所述前序制备段1、在线检测段2以及后序制备段3相互连接在一起，也可以是相互分隔、单独驱动的传送装置，如前序传送装置、在线检测传送装置和后序传送装置，图中未示出。待检测的含有钙钛矿薄膜样件A依次由前序制备段1处从左向右被传送到在线检测段2处，再被传送到后序制备段3处。
[0027] 所述检测装置4包括带灯罩46的无影光源41、工业相机42、集成支架43、背景板44、驱动装置、传送装置5及控制中心45。所述无影光源41和工业相机42设置在集成支架43上且位于样件A的上方。所述集成支架43包括两条水平导轨和两条竖直导轨415。所述两条水平导轨设置在两条竖直导轨之间，且处于同一竖直面。所述所述无影光源41和工业相机42分别设置在两条水平导轨上且位于检测样件的上方。
[0028] 两条水平导轨包括光源水平导轨413和相机水平导轨414。所述无影光源41通过光源水平导轨413设置在集成支架43上。所述工业相机42通过相机水平导轨414设置在集成支架43上。所述光源水平导轨413和相机水平导轨414的两端分别与竖直导轨415连接，并分别沿竖直导轨415上下移动。所述控制中心45控制无影光源41的打光和工业相机42的自动对焦和拍摄。
[0029] 在所述灯罩46的顶部设置观察窗口47，所述工业相机42透过观察窗口47对样件A进行拍摄。在所述灯罩46的顶部设置观察窗口47，便于样件A的漫反射光线进入工业相机42的镜头，从而实现拍摄，光线如图3中长线箭头所示。所述背景板44位于样件A的正下方。
[0030] 所述驱动装置设置在集成支架43上，所述驱动装置分别带动无影光源41和工业相机42上下及前后移动，并受控制中心45控制。所述工业相机42与控制中心45相互通过数据线412进行数据连接。在所述控制中心45内设置了图像处理系统用于将工业相机42拍摄的图像与已保存在控制中心数据库中的标准图像进行比对和判断。
[0031] 所述控制中心45数据库中的标准钙钛矿薄膜照片是通过性能更高的器件的钙钛矿薄膜照片不断替换已有照片的方式进行更新，因此适用于不同成分和不同制备方法得到的钙钛矿薄膜的质量检测。图像处理系统是具有用
机器学习能力以及数据库中的先例学习判定成像的系统。
[0032] 所述驱动装置分别设置在两条竖直导轨和两条水平导轨上。所述驱动装置包括带动无影光源41上下移动的光源竖直移动组件48、带动工业相机42上下移动的相机竖直移动伺服组件49，带动无影光源41前后移动的光源水平移动组件410，以及带动工业相机42前后移动的相机水平移动组件411。前后移动的方向为垂直于样件A的传送方向。传送装置带动样件A的传送方向为图1中的X轴方向。光源竖直移动组件48带动无影光源41上下移动和相机竖直移动组件49带动工业相机42上下移动的方向为图1中的Z轴方向。光源水平移动组件410带动无影光源41前后移动和相机水平移动组件411带动工业相机42前后移动的方向为图1中的Y轴方向。所述光源竖直移动组件48、相机竖直移动组件49以及光源水平移动组件
410和相机水平移动组件411分别由伺服
电机驱动，全部的
伺服电机都由控制中心45控制。
[0033] 所述无影光源41为穹顶光源、环形光源、碗形光源、桶形光源、四面可调光源、四边形漫反射无影光源、跑道形漫反射无影光源中的任意一种，或者上述光源间的相互组合后的组合型光源。采用无影光源是为了在拍摄样件时提供一个全方位、高亮度、均匀无反光的照明环境，可全面反映检测样件的真实状态，便于图像处理系统的比对和筛选。所述无影光源41包括LED灯、卤钨灯、荧光灯中的任意一种，所述无影光源41的总照度大于1000 lx。在所述灯罩46的内壁涂有漫反射涂层，用以使光线发生多次和多
角度的反射，增强无影照明效果，发射光线如图3中短线箭头所示。
[0034] 在本实施例中，所述无影光源41为穹顶光源与环形光源的组合型光源，如附图4所示。所述无影光源41在穹顶光源灯罩46内安装有若干排环形灯珠416的环形光源。通过在穹顶光源灯罩46内安装若干排环形灯珠416，一方面利用穹顶光源全区域、无死角、均匀光线照射的优点，另一方面利用环形光源加强光线照度，实现光线补偿，使得工业相机42在拍摄检测样件A时有一个高亮、均匀的照明环境。其中，环形灯珠416与检测样件A的中心的连线和灯罩46的竖直轴线的夹角α取值范围为15°-75°，如此设计可实现对灯罩46底部区域的照明效果最好。因为当夹角α小于15℃时，环形灯珠416的光斑将进入
检测区域，光源发出的光线将直接反射进工业相机42中，遮挡了检测样件A的真实信息；当夹角α大于75℃时，光源射出的大部分光线无法打在检测样件A上，无法起到打光的作用。
[0035] 优选地，在穹顶光源灯罩46内安装有三排环形灯珠416，其中，最上面一排环形灯珠416的夹角为α1，中间一排环形灯珠416的夹角为α2，最下面一排环形灯珠416的夹角为α3，α1=30°、α2=45°、α3=60°。本实施例中的无影光源环形灯珠416优选白光LED灯珠，照度在
10000-50000 lx。
[0036] 所述工业相机42包括CCD相机、CMOS相机、数码相机中任意一种，其拍摄像素在100万以上。本实施例中，工业相机42采用CMOS相机，其拍摄静态物体的效果较好，且性价比高，像素不低于1000万。
[0037] 所述背景板44的颜色为黑色，用来提供一个暗色的图像背景，减少背景反射光对样件的干扰，利于机器识别和图像比对。
[0038] 所述检测装置还包括位置传感器6。所述位置传感器6设置在在线检测段2的入口处，其结合传送装置的速度对样件A在传送装置上的位置进行定位。位置传感器6由控制中心45控制。
[0039] 本发明还公开了一种基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测方法，其采用如前所述的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置，包括以下步骤：第一步，由传送装置以一定的速度将前序制备段1中制备完的含有钙钛矿薄膜样件A传送至在线检测段2，由位置传感器6结合传送装置的速度对钙钛矿薄膜样件A在传送装置上的位置进行定位。
[0040] 第二步，当钙钛矿薄膜样件A停在指定位置后，光源竖直移动组件48驱动无影光源41下降至钙钛矿薄膜样件A上方，并对钙钛矿薄膜样件A的指定区域进行打光，同时工业相机42也在相机竖直移动组件49的驱动下下降至无影光源41的观察窗口47的正上方对钙钛矿薄膜样件A表面进行自动对焦，并对该钙钛矿薄膜样件A的打光区域进行拍照，将图像信息通过带网口的数据线412直接传至控制中心45。
[0041] 第三步，控制中心45在接收图像信息后立即通过图像处理系统与已存储在其数据库中标准钙钛矿薄膜图像信息进行比对，通过分析色差、均匀性、缺陷状态等指标的偏差率判断该片的钙钛矿薄膜打光区域的质量好坏，并显示检测结果。
[0042] 第四步，完成一个打光区域的拍摄后，无影光源41与工业相机42分别在光源水平移动组件410和相机水平移动组件411驱动下沿Y轴方向同步移动，对钙钛矿薄膜样件A该方向上的其他区域进行相应地拍摄。
[0043] 第五步，拍摄完成之后，钙钛矿薄膜样件A在传送装置的传送下沿X轴方向移动一定距离，重复第一步骤至第四步骤直至完成整片钙钛矿薄膜样件A表面全部区域的质量检测。
[0044] 第六步，完成对整片钙钛矿薄膜样件A的检测后，由控制中心45发出指令，检测合格的钙钛矿薄膜样件A被传送装置传送到后序制备段3，而检测不合格的钙钛矿薄膜样件A将返回前序制备段继续反应或者回收处理。
[0045] 在前述步骤中，所述传送装置的传送速度范围为1mm/s至400mm/s，所述驱动装置的传动速度范围均为1mm/s至200mm/s，所述无影光源在驱动装置的驱动下下降至钙钛矿薄膜样件上方1mm至200mm处。所述驱动装置的传动速度以及所述无影光源和工业相机的平移、下降位置均由控制中心45控制调节。
[0046] 下面结合具体实施例来说明本发明的基于机器视觉的钙钛矿薄膜质量在线检测装置及方法。
[0047] 在前序制备段1中制备完成的含有钙钛矿薄膜样件A正面朝上放置在传送装置上并以100mm/s的速度传送至在线检测段2处，位于在线检测段2入口处的位置传感器6在感应到样件A进入后，立即结合当前传送速度计算样件A的位移量，从而在指定位置对样件A进行定位。随后，无影光源41跟随所在的光源水平导轨413在光源竖直移动组件48的驱动下以10mm/s的速度降至样件A上方10mm处，同时，工业相机42跟随相机水平导轨414在相机竖直移动组件49的驱动下以6mm/s的速度降至无影光源41的观察窗口47的正上方，然后通过相机竖直移动组件49细微的传动使工业相机42的焦点对准被打光的样件A表面上的钙钛矿薄膜区域，实现工业相机42的自动对焦操作，随后在控制中心45上点击拍摄按钮，完成工业相机42的
图像采集。拍摄的图像信息将由带网口的数据线412直接传输至控制中心45，并由图像处理将其与数据库中标准钙钛矿薄膜图像信息进行比对，通过分析色差、均匀性、缺陷状态等指标的偏差率判断此片钙钛矿薄膜打光区域的质量好坏与反应程度。
[0048] 在完成一个区域的拍摄后，无影光源41与工业相机42将分别在光源水平移动组件410和相机水平移动组件411的驱动下沿Y轴方向以8mm/s的速度同步运动，对样件A的另一区域进行相同地拍摄，完毕后，传送装置将在控制中心45的控制下继续沿X轴传送一定距离，重复上述图像采集过程，最终均匀地在样件A的整个钙钛矿薄膜表面上选取六个区域进行在线检测和判断，并由控制中心45显示最终的检测结果，同时显示合格与否的判定结果。
检测结果包括钙钛矿薄膜的总体均匀性、色差偏差率、缺陷区域大小等几项指标，综合评价该样件A能否通过在线检测。检测合格即通过检测的样件A将被传送到后序制备段3中，检测不合格即未通过检测的样件A将返回前序制备段1继续反应或者取出回收，从而完成对样件A表面上的钙钛矿薄膜质量及反应程度的快速、准确、无损地在线检测。
[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
