EL电致发光测试在光伏组件检测中的应用

EL电致发光测试在光伏组件检测中的应用

樊华龙，慎小宝，孟夏杰，李杭，张超，毛立中，邢国强

（1.通威太阳能有限公司，成都，610299)

1.EL测试技术背景

1.1 EL测试技术的发展历程

电致发光（Electroluminescence，简称EL）现象的历史可追溯到1907年，当时英国科学家H.J. Round在研究碳化硅二极管时首次观察到这一现象。然而，直到1936年，巴黎大学的Georges Destriau才通过实验揭示了掺入荧光粉ZnS的蓖麻油在电场作用下的发光原理，这一发现深化了人们对电致发光机制的理解，并为EL技术的发展奠定了理论基础。

尽管电致发光技术的早期研究并未直接针对光伏行业，但其核心机制——电场作用下材料内部电子能级跃迁并伴随光子发射，与光伏效应中的光电转换过程存在相似性。这为EL技术在光伏领域的应用提供了可能。

在光伏行业中，EL测试技术最初被用于光伏硅片的缺陷检测。检测人员通过施加正向偏压，观察硅片在电场激发下的自发光情况，从而能够精确发现并定位硅片中的隐裂、扩散不均等潜在缺陷。这种非接触、无损的检测方式极大地提高了光伏硅片的质量控制水平。

随着光伏产业的快速发展，EL测试技术在光伏行业中的应用日益广泛。从原材料质检到光伏组件成品出厂，再到电站运营维护，EL测试技术都发挥着重要作用。它已成为提升光伏产品质量、确保电站长期安全稳定运行的关键技术，为光伏产业的健康可持续发展提供了有力支撑。    

1.2 EL测试技术的优势

(1)高效的质量控制：能检测出微裂纹、隐裂、热斑等影响光伏电池、组件性能和寿命的缺陷。

(2)非破坏性检测：EL技术不会对光伏电池、组件造成损害，可在生产过程中多次使用。

(3)提高生产效率：EL技术能快速、准确地检测出光伏电池、组件的缺陷，减少人工检测时间和成本。

(4)优化设计：通过EL技术，可以更好地理解光伏电池、组件的性能，优化设计。

行业内关于光伏电池EL测试有明确的测试标准，包括T/CPIA0020-2020《晶体硅光伏电池电致发光测试方法》、T/CPIA0009-2019《电致发光成像测试晶体硅光伏组件缺陷的方法》以及IEC TS 60904-13《光伏组件电致发光》 。这些标准详细规定了EL测试的操作流程、测试条件和技术规范。用户只需按照这些技术标准对光伏组件进行EL测试，即可及时发现组件中的潜在问题和缺陷，从而确保光伏组件在实际运行中的稳定性和效率。

2.EL测试技术介绍

2.1测试原理

EL测试即太阳能电池电致发光检测，其原理是：晶硅电池PN结中存在由N区指向P区的内建电场，平衡状态下载流子的扩散电流和漂移电流大小相等方向相反相互抵消，PN结内部电流为零，其能带图如图1（a）所示。当给电池加载正向偏压V时，外加电压会削弱PN结中内建电场的强度，势垒高度由P-N结平衡状态下的qV_D下降到q（V_D-V)，其能带图如图1（b）所示。    

图1.（a）平衡状态下PN 结能带；（b）正向偏压下PN结能带

正向偏压打破了载流子扩散运动和漂移运动的原有平衡，形成了净扩散电流，促使电子和空穴分别向P区和N区扩散。这些载流子在通过PN结时，因复合消失的概率很小，它们会继续扩散并在相遇时发生辐射复合，释放光子，即电致发光。晶硅电池的EL光谱峰值约1150nm，通过近红外CCD相机捕捉这些光谱，即可得到电池的EL图像。

图2. 晶硅电池电致发光光谱

2.2 EL测试系统介绍

EL测试系统基于晶体硅的电致发光原理，通过向电池施加正向偏压注入非平衡载流子，利用高分辨率CCD相机捕捉组件在近红外光下的图像，从而检测和判定组件的缺陷。该系统主要由恒流源、EL成像相机、暗室环境及图像处理系统构成。恒流源负责提供稳定且可控的电流，激发光伏电池发光；EL相机负责捕捉电池在电流激励下发出的红外或近红外光；为避免外界光源干扰，测试需在暗室环境中进行；图像处理系统则对采集的图像进行预处理和分析，以识别和定位光伏组件中的缺陷。典型EL测试系统的结构如图3所示。    

图3.典型EL测试系统

EL测试技术根据应用环境分为室内和户外两种。室内EL测试通常在实验室进行，如图4（a）所示，该环境确保了稳定的温度、湿度和光照条件（符合行业标准），有助于分析光伏电池和组件的内部缺陷，如断栅、隐裂和同心圆等。室内测试主要用于产品研发验证、生产过程质量控制、出厂前的全面检测，以及故障分析与诊断，从而确保产品的性能和质量。

户外EL测试技术又分为便携式EL测试和无人机EL测试。与实验室EL测试相比，户外EL测试引入的变量更多，其无法达到与实验室相同的EL图像质量。

便携式EL测试技术主要用于户外光伏组件的缺陷分析，能有效检测出断栅、隐裂、碎片等各类明显缺陷。但由于相机固定在支架上，每次只能测试单块组件，需要频繁移动支架，因此工作效率低，不适合大规模光伏电站的快速检测。

无人机EL测试技术是近几年开发并逐渐应用的新技术，该技术通过将EL相机搭载在无人机平台上，从而可以大幅提升光伏电站的检测效率。然而，无人机EL测试技术的成像质量会受到无人机平台稳定性及外部环境（如天气、光照、风速等）的影响，进而可能导致图像清晰度下降和测试准确性降低。鉴于影响无人机EL成像质量的因素较为复杂，且光伏行业内尚未针对无人机EL测试技术制定明确的测试规范。所以测试人员在进行户外无人机EL测试时，需要具备一定的光伏理论知识、熟练的无人机操作技能，以及对影响因素的深入理解。因此，户外无人机EL测试结果易受主观因素和误差的影响，故不宜将其单独作为判断户外光伏组件性能稳定性的决定性方法。    

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3.影响EL图像质量的因素分析

3.1电注入条件对EL图像的影响

根据晶硅电池的电致发光理论，EL亮度与少子寿命和电注入条件成正相关。电注入条件主要分为电压注入和电流注入。

（1）电压注入：正向偏压V_f与EL光强正相关，正向偏压越大，EL光强越强，如公式（1）所示，其中I_L是EL光强，A是常数，q是电荷常数，V_f是正向偏压，k是玻尔兹曼常数，T是环境温度： 

      (1)

图5.正向偏压Vf与EL光强的关系

（2）电流注入：注入电流J_f与EL光强正相关，注入电流越大，EL光强越强，如公式（2）所示，其中I_L是EL光强，是常数，n是电池二极管的理想因子，J_f是注入电流。

      (2)    

图6.注入电流J_f与EL光强的关系

根据EL发光原理，当给电池或组件施加正向偏压时，会产生对应的正向电流，进而激发EL现象。虽然理论上使用电压注入与使用电流注入都能激发EL现象。但在实际操作中，由于不同电池技术、不同版型组件的工作电压存在一定差异，这给EL批量测试带来了很大的困难。因此，相较于电压注入方式，电流注入方式更易于实现精确控制与批量测量，已被光伏行业广泛接受并纳入EL测试标准。

3.2 EL成像相机参数对EL图像的影响

EL成像相机在光伏组件EL 测试中，通过捕捉光信号并将其转换为电荷，再经过模数转换生成数字图像，从而实现对电池和组件EL图像的高灵敏度捕捉。而影响相机成像效果的主要因素有曝光时间、光圈、ISO。

曝光时间，也称快门速度，是指相机的快门打开允许光线进入的时间长度。曝光时间越长，进入相机的光线越多，EL图像就越亮。反之，曝光时间越短，进入相机的光线越少，EL图像就越暗。但是，曝光时间过长会导致图像过曝，细节丧失；曝光时间过短则可能导致图像欠曝，细节无法清晰显示。

图7.（a）相机拍摄界面；（b）EL图像亮度随曝光时间的变化关系

光圈是表示镜头中孔径大小的一个比值，是相机镜头中用来控制光线进入量的装置。其大小由f值表示，f值越小，光圈越大，进入的光线越多，EL图像就会越亮。反之，f值越大，光圈越小，进入的光线越少，EL图像就会越暗。光圈的大小还会影响到图像的景深，大光圈可以得到浅景深，使得主体突出，背景虚化；小光圈则可以得到深景深，使得前景和背景都能清晰显示。

图8.（a）相机光圈孔径大小示例；（b）EL图像亮度随光圈孔径大小的变化关系

ISO表示相机感光度，ISO值越高，相机对光线的敏感度越高，图像会越亮。反之，ISO值越低，相机对光线的敏感度越低，图像会越暗。但是，ISO值过高会导致图像噪点增多，影响图像质量；ISO值过低则可能导致图像欠曝，细节无法清晰显示。

图9.（a）相机拍摄界面；（b）EL图像亮度随ISO的变化关系

     上述三者相互作用，共同影响成像效果。在实际使用中，需要根据拍摄环境和对象调整这三个参数以获得最佳效果。    

针对户外无人机EL测试，除了考虑上述相机参数外，还需要考虑杂散光、无人机平台对相机EL图像的影响。

杂散光对相机成像具有显著的不利影响，它主要通过降低图像对比度、产生眩光来干扰图像质量，同时还可能降低成像设备的灵敏度，增加后期图像处理的难度。这些影响源于光学系统内部的反射、散射以及外部光线的渗透。为了减少杂散光的影响，在户外EL测试时，要选择天色较暗的夜间时段进行测试。

无人机平台的悬停性能、飞行高度控制及相机角度的精确调整，是确保EL图像拍摄清晰度的核心要素。在执行EL测试任务时，无人机需要保持静止悬停，此时虽然没有飞行速度产生，但旋翼的振动和环境风力仍可能导致轻微的位移，进而引起EL图像模糊。无人机的悬停性能对相机稳定性至关重要，悬停不佳会导致相机抖动，进而影响EL图像的清晰度。悬停精度是衡量无人机悬停性能的关键指标，因此在选择无人机平台时，应将悬停精度作为核心考量因素，以确保能够拍摄出高质量的EL图像。鉴于当前行业对无人机EL测试平台的悬停性能缺乏统一规范，使用者需根据自身需求合理选择无人机平台的悬停性能。为准确评估各无人机的悬停性能，需深入调研无人机平台生产厂家的产品性能，并重点对比各机型的悬停精度，确保所选无人机能满足测试要求。

图10. 某厂家无人机悬停精度

飞行高度是指无人机相对于测试目标光伏组件的垂直距离，这一参数对EL成像的清晰度具有显著影响。随着飞行高度的增加，虽然能够捕捉到更大范围的组件EL图像，但图像的清晰度往往会下降，导致图像变得模糊。    

相机角度指的是在进行EL测试作业时，相机相对于水平面的倾斜程度。这个角度对于EL成像的形状至关重要，如果角度偏差过大，可能会导致图像出现桶状形变，类似于户外便携式EL测试中常见的畸变现象。因此，在进行无人机EL测试时，精确控制飞行高度和相机角度是至关重要的，以确保获得高质量的EL图像。

图11.无人机EL测试中相机角度与组件倾角示意图

4.EL明暗片与光伏组件性能关系分析

4.1光伏组件EL产生明暗片的原因分析

光伏组件EL明暗片是组件在户外运行环境中常见的一种现象，行业内对EL明暗片进行了较为深入的研究，研究表明导致光伏组件EL出现明暗片的原因主要有以下3种：

（1）硅片电阻率差异：低电阻率硅片与高电阻率硅片相比，其掺杂浓度相对较高，会直接影响少数载流子的寿命，促使俄歇复合过程加剧。这一效应导致电池片的关键电性能参数——开路电压（Voc）和短路电流（Isc）显著降低，从而在EL测试中表现为图像发暗。

（2）电池片效率差异：在组件EL测试过程中，高效电池片发光较亮，低效电池片发光较暗，有研究表明电池效率相差达到0.8％以上时，组件EL图可以分辨出明暗片。

（3）电池片Voc差异：有研究表明电池片Voc与EL光强成正比，电池Voc衰减越大，EL图像越暗，组件内电池片Voc不一致导致EL发生明暗片。    

在光伏组件制造过程中，电池片的挑选至关重要，挑选过程主要基于两个核心标准：确保电池片效率的一致性以及进行合理的电压、电流分档。但即使筛选严格，在EL测试中仍可能出现明暗片现象，导致这一现象产生的主要原因在于电池片间的Voc差异。在光伏组件户外运行初期，这些差异可能并不显著，难以被直接察觉。然而，随着时间的推移，特别是在户外长期运行并经历老化过程后，Voc差异会逐渐显现并放大，导致组件在EL测试中出现明暗片。因此，电池片的效率差异和Voc差异是导致光伏组件EL图像出现明暗片的主要原因。

4.2不同电流注入对组件EL明暗片的影响

由于光伏组件是由多块电池片通过串并联关系组成的电路，尽管电池片经过严格筛选，但电池间仍存在微小性能差异。本文探讨了不同电流注入条件下，这些差异对组件EL图像质量的影响，以及这种影响是否会对组件性能评估造成不利后果。为此，本文参考IEC 60904-13标准进行了EL实验，选用182-72版型TOPCon 585W组件为样品，在室内使用恒流源进行电流注入，相机曝光时间3s，感光度ISO设为250。样品组件初测EL图像正常，采用室内EL测试设备，运用恒流源对光伏组件进行电流注入，实验选取了0.3A（0.02Isc）、0.7A（0.05Isc）、1.4A（0.1Isc）、2.7A（0.2Isc）电流注入条件，测试结果如下图所示：

图12.光伏组件EL成像与注入电流大小的关系

图12显示，随着注入电流的减小，EL图像亮度变暗，且当电流小于1A时，光伏组件EL出现明暗片现象，电流越小，明暗片越明显。分析表明，这主要是因为组件内部电池片之间性能上存在微小差异，如效率与电压的失配，这些差异在低电流注入时被凸显出来。在EL测试过程中，电池片的EL图像明暗情况与其内部缺陷（杂质、位错等）数量密切相关。特别是在不同电流注入条件下，电池内部的非平衡载流子行为会显著影响EL的发光特性。在低电流注入条件下，由于注入到电池内部的非平衡载流子数量较少，此时电池PN结内部的载流子复合过程对EL发光的影响尤为显著。对于内部缺陷数量较多的电池，其非平衡载流子的复合速率较快，导致EL发光相对较弱，形成暗片。相反，内部缺陷数量较少的电池，其非平衡载流子复合速率较慢，EL发光相对较强，表现为明片，从而导致在低电流注入条件下，正常组件出现了明暗片现象，且注入电流越小，组件EL图像越暗，明暗对比度越大，明暗片越明显；在大电流注入条件下，由于此时大量非平衡载流子注入到电池内部，大电流注入“淹没”了由不同电池内部缺陷引起的非平衡载流子复合的微小差异，使得电池与电池之间EL明暗现象消失，组件整体呈现出均匀的EL发光。且注入电流越大，组件EL图像越亮，明暗对比度越小，明暗片消失。因此，在不同电流注入条件下，EL图像明暗对比度不同。在低电流注入条件下，正常组件的EL图像也可能出现明暗片现象。鉴于此，由于无人机EL测试技术尚新，且缺乏明确的测试规范，测试人员在运用无人机平台对光伏组件进行EL测试时，必须设定合理的EL电流注入条件，才能最大程度地避免因测试条件不当引发的误判。    

5.总结

（1）室内EL、便携式EL测试是一种高效的光伏组件质量检测手段，用户只要按照EL测试标准进行规范测试，就可以及时发现并定位光伏组件的潜在问题和缺陷。

（2）无人机EL测试技术是近几年开发并逐渐应用的新技术，尚无明确的测试规范。相较于室内EL和便携式EL测试，影响无人机EL成像质量的因素较多，特别是户外无人机EL测试结果受测试人员的主观因素影响较大，测试误差较大。

（3）影响EL图像质量的因素主要包括电注入条件和相机参数。在实际使用中，为了获得最佳的拍摄效果，需要根据具体的拍摄环境和对象来灵活调整这些参数。随着户外无人机EL测试的逐渐兴起，还需要额外考虑无人机平台自身性能对相机EL图像质量可能产生的影响。

（4）在低电流注入条件下，正常组件的EL图像也可能出现EL明暗片现象，因此，测试人员在运用无人机平台对光伏组件进行EL测试时，必须设定合理的EL电流注入条件，才能最大程度地避免因测试条件不当引发的误判。

[6]杨纯涛,姜倩.太阳电池失配对光伏组件的影响分析[J].太阳能, 2019(6):4.DOI:CNKI:SUN:TYNZ.0.2019-06-011.