光伏組件檢測新技術(shù)！

摘要電致發(fā)光（EL）測試是檢測光伏組件質(zhì)量的有效方法，能夠發(fā)現(xiàn)并準確定位光伏組件存在的潛在問題。而無人機EL測試作為一項新興技術(shù)，目前尚無明確的測試規(guī)范，且受到多種因素的影響，導致測試誤差相對較大。影響EL圖像質(zhì)量的因素主要包括電注入條件、相機參數(shù)以及無人機平臺的性能。此外，在低電流注入條件下，正常組件也可能出現(xiàn)EL明暗片現(xiàn)象，因此在進行無人機EL測試時，需要設(shè)定合理的EL電流注入條件，以避免因測試條件不當而導致的誤判。

1.EL測試技術(shù)背景

1.1EL測試技術(shù)的發(fā)展歷程

電致發(fā)光（Electroluminescence，簡稱EL）現(xiàn)象的歷史可追溯到1907年，當時英國科學家H.J. Round在研究碳化硅二極管時首次觀察到這一現(xiàn)象。然而，直到1936年，巴黎大學的Georges Destriau才通過實驗揭示了摻入熒光粉ZnS的蓖麻油在電場作用下的發(fā)光原理，這一發(fā)現(xiàn)深化了人們對電致發(fā)光機制的理解，并為EL技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

盡管電致發(fā)光技術(shù)的早期研究并未直接針對光伏行業(yè)，但其核心機制——電場作用下材料內(nèi)部電子能級躍遷并伴隨光子發(fā)射，與光伏效應中的光電轉(zhuǎn)換過程存在相似性。這為EL技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應用提供了可能。

在光伏行業(yè)中，EL測試技術(shù)最初被用于光伏硅片的缺陷檢測。檢測人員通過施加正向偏壓，觀察硅片在電場激發(fā)下的自發(fā)光情況，從而能夠精確發(fā)現(xiàn)并定位硅片中的隱裂、擴散不均等潛在缺陷。這種非接觸、無損的檢測方式極大地提高了光伏硅片的質(zhì)量控制水平。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，EL測試技術(shù)在光伏行業(yè)中的應用日益廣泛。從原材料質(zhì)檢到光伏組件成品出廠，再到電站運營維護，EL測試技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。它已成為提升光伏產(chǎn)品質(zhì)量、確保電站長期安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，為光伏產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供了有力支撐。

1.2EL測試技術(shù)的優(yōu)勢

(1)高效的質(zhì)量控制能檢測出微裂紋、隱裂、熱斑等影響光伏電池、組件性能和壽命的缺陷。

(2)非破壞性檢測EL技術(shù)不會對光伏電池、組件造成損害，可在生產(chǎn)過程中多次使用。

(3)提高生產(chǎn)效率EL技術(shù)能快速、準確地檢測出光伏電池、組件的缺陷，減少人工檢測時間和成本。

(4)優(yōu)化設(shè)計通過EL技術(shù)，可以更好地理解光伏電池、組件的性能，優(yōu)化設(shè)計。

行業(yè)內(nèi)關(guān)于光伏電池EL測試有明確的測試標準，包括T/CPIA0020-2020《晶體硅光伏電池電致發(fā)光測試方法》、T/CPIA0009-2019《電致發(fā)光成像測試晶體硅光伏組件缺陷的方法》以及IEC TS 60904-13《光伏組件電致發(fā)光》 。這些標準詳細規(guī)定了EL測試的操作流程、測試條件和技術(shù)規(guī)范。用戶只需按照這些技術(shù)標準對光伏組件進行EL測試，即可及時發(fā)現(xiàn)組件中的潛在問題和缺陷，從而確保光伏組件在實際運行中的穩(wěn)定性和效率。

2.EL測試技術(shù)介紹

2.1測試原理

EL測試即太陽能電池電致發(fā)光檢測，其原理是晶硅電池PN結(jié)中存在由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場，平衡狀態(tài)下載流子的擴散電流和漂移電流大小相等方向相反相互抵消，PN結(jié)內(nèi)部電流為零，其能帶圖如圖1（a）所示。當給電池加載正向偏壓V時，外加電壓會削弱PN結(jié)中內(nèi)建電場的強度，勢壘高度由P-N結(jié)平衡狀態(tài)下的qVD下降到q（VD-V)，其能帶圖如圖1（b）所示。

▲圖1.（a）平衡狀態(tài)下PN 結(jié)能帶

▲（b）正向偏壓下PN結(jié)能帶

正向偏壓打破了載流子擴散運動和漂移運動的原有平衡，形成了凈擴散電流，促使電子和空穴分別向P區(qū)和N區(qū)擴散。這些載流子在通過PN結(jié)時，因復合消失的概率很小，它們會繼續(xù)擴散并在相遇時發(fā)生輻射復合，釋放光子，即電致發(fā)光。晶硅電池的EL光譜峰值約1150nm，通過近紅外CCD相機捕捉這些光譜，即可得到電池的EL圖像。

▲圖2. 晶硅電池電致發(fā)光光譜

2.2 EL測試系統(tǒng)介紹

EL測試系統(tǒng)基于晶體硅的電致發(fā)光原理，通過向電池施加正向偏壓注入非平衡載流子，利用高分辨率CCD相機捕捉組件在近紅外光下的圖像，從而檢測和判定組件的缺陷。該系統(tǒng)主要由恒流源、EL成像相機、暗室環(huán)境及圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成。恒流源負責提供穩(wěn)定且可控的電流，激發(fā)光伏電池發(fā)光；EL相機負責捕捉電池在電流激勵下發(fā)出的紅外或近紅外光；為避免外界光源干擾，測試需在暗室環(huán)境中進行；圖像處理系統(tǒng)則對采集的圖像進行預處理和分析，以識別和定位光伏組件中的缺陷。典型EL測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3.典型EL測試系統(tǒng)

EL測試技術(shù)根據(jù)應用環(huán)境分為室內(nèi)和戶外兩種。室內(nèi)EL測試通常在實驗室進行，如圖4（a）所示，該環(huán)境確保了穩(wěn)定的溫度、濕度和光照條件（符合行業(yè)標準），有助于分析光伏電池和組件的內(nèi)部缺陷，如斷柵、隱裂和同心圓等。室內(nèi)測試主要用于產(chǎn)品研發(fā)驗證、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、出廠前的全面檢測，以及故障分析與診斷，從而確保產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

戶外EL測試技術(shù)又分為便攜式EL測試和無人機EL測試。與實驗室EL測試相比，戶外EL測試引入的變量更多，其無法達到與實驗室相同的EL圖像質(zhì)量。

便攜式EL測試技術(shù)主要用于戶外光伏組件的缺陷分析，能有效檢測出斷柵、隱裂、碎片等各類明顯缺陷。但由于相機固定在支架上，每次只能測試單塊組件，需要頻繁移動支架，因此工作效率低，不適合大規(guī)模光伏電站的快速檢測。

無人機EL測試技術(shù)是近幾年開發(fā)并逐漸應用的新技術(shù)，該技術(shù)通過將EL相機搭載在無人機平臺上，從而可以大幅提升光伏電站的檢測效率。然而，無人機EL測試技術(shù)的成像質(zhì)量會受到無人機平臺穩(wěn)定性及外部環(huán)境（如天氣、光照、風速等）的影響，進而可能導致圖像清晰度下降和測試準確性降低。鑒于影響無人機EL成像質(zhì)量的因素較為復雜，且光伏行業(yè)內(nèi)尚未針對無人機EL測試技術(shù)制定明確的測試規(guī)范。所以測試人員在進行戶外無人機EL測試時，需要具備一定的光伏理論知識、熟練的無人機操作技能，以及對影響因素的深入理解。因此，戶外無人機EL測試結(jié)果易受主觀因素和誤差的影響，故不宜將其單獨作為判斷戶外光伏組件性能穩(wěn)定性的決定性方法。

▲圖4.（a）室內(nèi)EL測試系統(tǒng)

▲（b）便攜式EL測試系統(tǒng)

▲（c）無人機EL測試系統(tǒng)

3.影響EL圖像質(zhì)量的因素分析

3.1電注入條件對EL圖像的影響

根據(jù)晶硅電池的電致發(fā)光理論，EL亮度與少子壽命和電注入條件成正相關(guān)。電注入條件主要分為電壓注入和電流注入。

（1）電壓注入正向偏壓Vf與EL光強正相關(guān)，正向偏壓越大，EL光強越強，如公式（1）所示，其中IL是EL光強，A是常數(shù)，q是電荷常數(shù)，Vf是正向偏壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是環(huán)境溫度

▲圖5.正向偏壓Vf與EL光強的關(guān)系

（2）電流注入注入電流Jf與EL光強正相關(guān)，注入電流越大，EL光強越強，如公式（2）所示，其中IL是EL光強，是常數(shù)，n是電池二極管的理想因子，Jf是注入電流。

▲圖6.注入電流Jf與EL光強的關(guān)系

根據(jù)EL發(fā)光原理，當給電池或組件施加正向偏壓時，會產(chǎn)生對應的正向電流，進而激發(fā)EL現(xiàn)象。雖然理論上使用電壓注入與使用電流注入都能激發(fā)EL現(xiàn)象。但在實際操作中，由于不同電池技術(shù)、不同版型組件的工作電壓存在一定差異，這給EL批量測試帶來了很大的困難。因此，相較于電壓注入方式，電流注入方式更易于實現(xiàn)精確控制與批量測量，已被光伏行業(yè)廣泛接受并納入EL測試標準。

3.2 EL成像相機參數(shù)對EL圖像的影響

EL成像相機在光伏組件EL 測試中，通過捕捉光信號并將其轉(zhuǎn)換為電荷，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字圖像，從而實現(xiàn)對電池和組件EL圖像的高靈敏度捕捉。而影響相機成像效果的主要因素有曝光時間、光圈、ISO。

曝光時間，也稱快門速度，是指相機的快門打開允許光線進入的時間長度。曝光時間越長，進入相機的光線越多，EL圖像就越亮。反之，曝光時間越短，進入相機的光線越少，EL圖像就越暗。但是，曝光時間過長會導致圖像過曝，細節(jié)喪失；曝光時間過短則可能導致圖像欠曝，細節(jié)無法清晰顯示。

▲圖7.（a）相機拍攝界面

▲（b）EL圖像亮度隨曝光時間的變化關(guān)系

光圈是表示鏡頭中孔徑大小的一個比值，是相機鏡頭中用來控制光線進入量的裝置。其大小由f值表示，f值越小，光圈越大，進入的光線越多，EL圖像就會越亮。反之，f值越大，光圈越小，進入的光線越少，EL圖像就會越暗。光圈的大小還會影響到圖像的景深，大光圈可以得到淺景深，使得主體突出，背景虛化；小光圈則可以得到深景深，使得前景和背景都能清晰顯示。

▲圖8.（a）相機光圈孔徑大小示例

▲（b）EL圖像亮度隨光圈孔徑大小的變化關(guān)系

ISO表示相機感光度，ISO值越高，相機對光線的敏感度越高，圖像會越亮。反之，ISO值越低，相機對光線的敏感度越低，圖像會越暗。但是，ISO值過高會導致圖像噪點增多，影響圖像質(zhì)量；ISO值過低則可能導致圖像欠曝，細節(jié)無法清晰顯示。

▲圖9.（a）相機拍攝界面

▲（b）EL圖像亮度隨ISO的變化關(guān)系

上述三者相互作用，共同影響成像效果。在實際使用中，需要根據(jù)拍攝環(huán)境和對象調(diào)整這三個參數(shù)以獲得最佳效果。

針對戶外無人機EL測試，除了考慮上述相機參數(shù)外，還需要考慮雜散光、無人機平臺對相機EL圖像的影響。

雜散光對相機成像具有顯著的不利影響，它主要通過降低圖像對比度、產(chǎn)生眩光來干擾圖像質(zhì)量，同時還可能降低成像設(shè)備的靈敏度，增加后期圖像處理的難度。這些影響源于光學系統(tǒng)內(nèi)部的反射、散射以及外部光線的滲透。為了減少雜散光的影響，在戶外EL測試時，要選擇天色較暗的夜間時段進行測試。

無人機平臺的懸停性能、飛行高度控制及相機角度的精確調(diào)整，是確保EL圖像拍攝清晰度的核心要素。在執(zhí)行EL測試任務時，無人機需要保持靜止懸停，此時雖然沒有飛行速度產(chǎn)生，但旋翼的振動和環(huán)境風力仍可能導致輕微的位移，進而引起EL圖像模糊。無人機的懸停性能對相機穩(wěn)定性至關(guān)重要，懸停不佳會導致相機抖動，進而影響EL圖像的清晰度。懸停精度是衡量無人機懸停性能的關(guān)鍵指標，因此在選擇無人機平臺時，應將懸停精度作為核心考量因素，以確保能夠拍攝出高質(zhì)量的EL圖像。鑒于當前行業(yè)對無人機EL測試平臺的懸停性能缺乏統(tǒng)一規(guī)范，使用者需根據(jù)自身需求合理選擇無人機平臺的懸停性能。為準確評估各無人機的懸停性能，需深入調(diào)研無人機平臺生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品性能，并重點對比各機型的懸停精度，確保所選無人機能滿足測試要求。

▲圖10. 某廠家無人機懸停精度

飛行高度是指無人機相對于測試目標光伏組件的垂直距離，這一參數(shù)對EL成像的清晰度具有顯著影響。隨著飛行高度的增加，雖然能夠捕捉到更大范圍的組件EL圖像，但圖像的清晰度往往會下降，導致圖像變得模糊。

相機角度指的是在進行EL測試作業(yè)時，相機相對于水平面的傾斜程度。這個角度對于EL成像的形狀至關(guān)重要，如果角度偏差過大，可能會導致圖像出現(xiàn)桶狀形變，類似于戶外便攜式EL測試中常見的畸變現(xiàn)象。因此，在進行無人機EL測試時，精確控制飛行高度和相機角度是至關(guān)重要的，以確保獲得高質(zhì)量的EL圖像。

▲圖11.無人機EL測試中相機角度與組件傾角示意圖

4.EL明暗片與光伏組件性能關(guān)系分析

4.1光伏組件EL產(chǎn)生明暗片的原因分析

光伏組件EL明暗片是組件在戶外運行環(huán)境中常見的一種現(xiàn)象，行業(yè)內(nèi)對EL明暗片進行了較為深入的研究，研究表明導致光伏組件EL出現(xiàn)明暗片的原因主要有以下3種

（1）硅片電阻率差異低電阻率硅片與高電阻率硅片相比，其摻雜濃度相對較高，會直接影響少數(shù)載流子的壽命，促使俄歇復合過程加劇。這一效應導致電池片的關(guān)鍵電性能參數(shù)——開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）顯著降低，從而在EL測試中表現(xiàn)為圖像發(fā)暗。

（2）電池片效率差異在組件EL測試過程中，高效電池片發(fā)光較亮，低效電池片發(fā)光較暗，有研究表明電池效率相差達到0.8％以上時，組件EL圖可以分辨出明暗片。

（3）電池片Voc差異有研究表明電池片Voc與EL光強成正比，電池Voc衰減越大，EL圖像越暗，組件內(nèi)電池片Voc不一致導致EL發(fā)生明暗片。

在光伏組件制造過程中，電池片的挑選至關(guān)重要，挑選過程主要基于兩個核心標準確保電池片效率的一致性以及進行合理的電壓、電流分檔。但即使篩選嚴格，在EL測試中仍可能出現(xiàn)明暗片現(xiàn)象，導致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因在于電池片間的Voc差異。在光伏組件戶外運行初期，這些差異可能并不顯著，難以被直接察覺。然而，隨著時間的推移，特別是在戶外長期運行并經(jīng)歷老化過程后，Voc差異會逐漸顯現(xiàn)并放大，導致組件在EL測試中出現(xiàn)明暗片。因此，電池片的效率差異和Voc差異是導致光伏組件EL圖像出現(xiàn)明暗片的主要原因。

4.2不同電流注入對組件EL明暗片的影響

由于光伏組件是由多塊電池片通過串并聯(lián)關(guān)系組成的電路，盡管電池片經(jīng)過嚴格篩選，但電池間仍存在微小性能差異。本文探討了不同電流注入條件下，這些差異對組件EL圖像質(zhì)量的影響，以及這種影響是否會對組件性能評估造成不利后果。為此，本文參考IEC 60904-13標準進行了EL實驗，選用182-72版型TOPCon 585W組件為樣品，在室內(nèi)使用恒流源進行電流注入，相機曝光時間3s，感光度ISO設(shè)為250。樣品組件初測EL圖像正常，采用室內(nèi)EL測試設(shè)備，運用恒流源對光伏組件進行電流注入，實驗選取了0.3A（0.02Isc）、0.7A（0.05Isc）、1.4A（0.1Isc）、2.7A（0.2Isc）電流注入條件，測試結(jié)果如下圖所示

▲圖12.光伏組件EL成像與注入電流大小的關(guān)系

圖12顯示，隨著注入電流的減小，EL圖像亮度變暗，且當電流小于1A時，光伏組件EL出現(xiàn)明暗片現(xiàn)象，電流越小，明暗片越明顯。分析表明，這主要是因為組件內(nèi)部電池片之間性能上存在微小差異，如效率與電壓的失配，這些差異在低電流注入時被凸顯出來。在EL測試過程中，電池片的EL圖像明暗情況與其內(nèi)部缺陷（雜質(zhì)、位錯等）數(shù)量密切相關(guān)。特別是在不同電流注入條件下，電池內(nèi)部的非平衡載流子行為會顯著影響EL的發(fā)光特性。在低電流注入條件下，由于注入到電池內(nèi)部的非平衡載流子數(shù)量較少，此時電池PN結(jié)內(nèi)部的載流子復合過程對EL發(fā)光的影響尤為顯著。對于內(nèi)部缺陷數(shù)量較多的電池，其非平衡載流子的復合速率較快，導致EL發(fā)光相對較弱，形成暗片。相反，內(nèi)部缺陷數(shù)量較少的電池，其非平衡載流子復合速率較慢，EL發(fā)光相對較強，表現(xiàn)為明片，從而導致在低電流注入條件下，正常組件出現(xiàn)了明暗片現(xiàn)象，且注入電流越小，組件EL圖像越暗，明暗對比度越大，明暗片越明顯；在大電流注入條件下，由于此時大量非平衡載流子注入到電池內(nèi)部，大電流注入“淹沒”了由不同電池內(nèi)部缺陷引起的非平衡載流子復合的微小差異，使得電池與電池之間EL明暗現(xiàn)象消失，組件整體呈現(xiàn)出均勻的EL發(fā)光。且注入電流越大，組件EL圖像越亮，明暗對比度越小，明暗片消失。因此，在不同電流注入條件下，EL圖像明暗對比度不同。在低電流注入條件下，正常組件的EL圖像也可能出現(xiàn)明暗片現(xiàn)象。鑒于此，由于無人機EL測試技術(shù)尚新，且缺乏明確的測試規(guī)范，測試人員在運用無人機平臺對光伏組件進行EL測試時，必須設(shè)定合理的EL電流注入條件，才能最大程度地避免因測試條件不當引發(fā)的誤判。

5.總結(jié)

（1）室內(nèi)EL、便攜式EL測試是一種高效的光伏組件質(zhì)量檢測手段，用戶只要按照EL測試標準進行規(guī)范測試，就可以及時發(fā)現(xiàn)并定位光伏組件的潛在問題和缺陷。

（2）無人機EL測試技術(shù)是近幾年開發(fā)并逐漸應用的新技術(shù)，尚無明確的測試規(guī)范。相較于室內(nèi)EL和便攜式EL測試，影響無人機EL成像質(zhì)量的因素較多，特別是戶外無人機EL測試結(jié)果受測試人員的主觀因素影響較大，測試誤差較大。

（3）影響EL圖像質(zhì)量的因素主要包括電注入條件和相機參數(shù)。在實際使用中，為了獲得最佳的拍攝效果，需要根據(jù)具體的拍攝環(huán)境和對象來靈活調(diào)整這些參數(shù)。隨著戶外無人機EL測試的逐漸興起，還需要額外考慮無人機平臺自身性能對相機EL圖像質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響。

（4）在低電流注入條件下，正常組件的EL圖像也可能出現(xiàn)EL明暗片現(xiàn)象，因此，測試人員在運用無人機平臺對光伏組件進行EL測試時，必須設(shè)定合理的EL電流注入條件，才能最大程度地避免因測試條件不當引發(fā)的誤判。

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作者樊華龍，慎小寶，孟夏杰，李杭，張超，毛立中，邢國強

原文標題:光伏組件檢測新技術(shù)！