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(zhǔn)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(dǎo)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(dāng)而導(dǎo)致的誤判。

1.EL測試技術(shù)背景

1.1 EL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(dāng)時英國科學(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(yù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)），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(yīng)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(fēng)速等）的影響，進而可能導(dǎo)致圖像清晰度下降和測試準(zhǔn)確性降低。鑒于影響無人機EL成像質(zhì)量的因素較為復(fù)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，A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(dāng)給電池或組件施加正向偏壓時，會產(chǎn)生對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

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(dǎo)致圖像過曝，細(xì)節(jié)喪失；曝光時間過短則可能導(dǎo)致圖像欠曝，細(xì)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(dǎo)致圖像噪點增多，影響圖像質(zhì)量；ISO值過低則可能導(dǎo)致圖像欠曝，細(xì)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(xué)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(wù)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(fēng)力仍可能導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)，因此在選擇無人機平臺時，應(yīng)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(dāng)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(zhǔn)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(biāo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)合過程加劇。這一效應(yīng)導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)：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(yán)格，在EL測試中仍可能出現(xiàn)明暗片現(xiàn)象，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)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(fù)合速率較快，導(dǎo)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(fù)合速率較慢，EL發(fā)光相對較強，表現(xiàn)為明片，從而導(dǎo)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(fù)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dāng)引發(fā)的誤判。

參考文獻：

[1]Fuyuki T , Kondo H , Kaji Y ,et al.Analytic findings in the electroluminescence characterization of crystalline silicon solar cells[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101(2):023711-023711-5.

[2]馬桂艷、張紅妹、史金超、李翠雙.基于電致發(fā)光的太陽能電池檢測方法研究[J].光電子技術(shù), 2020, 40(3):4.DOI:CNKI:SUN:GDJS.0.2020-03-012.

[3]施光輝,崔亞楠,劉小嬌,等.電致發(fā)光(EL)在光伏電池組件缺陷檢測中的應(yīng)用[J].云南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2016, 36(2):5.DOI:10.7699/j.ynnu.ns-2016-018.

[4]張志敏,劉苗,許志衛(wèi),等.PERC單晶硅光伏組件EL明暗不均的研究[J].太陽能, 2019(9):5.DOI:CNKI:SUN:TYNZ.0.2019-09-008.

[5]趙華利,張向前,王亞川.光伏組件EL檢測圖像明暗片的實驗研究分析[J].內(nèi)燃機與配件, 2018(15):2.DOI:CNKI:SUN:NRPJ.0.2018-15-128.

[6]楊純濤,姜倩.太陽電池失配對光伏組件的影響分析[J].太陽能, 2019(6):4.DOI:CNKI:SUN:TYNZ.0.2019-06-011.

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