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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(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(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qV_D下降到q（V_D-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(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V_f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I_L是EL光強，A是常數(shù)，q是電荷常數(shù)，V_f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J_f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I_L是EL光強，是常數(shù)，n是電池二極管的理想因子，J_f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(dǎo)致圖像過曝，細節(jié)喪失；曝光時間過短則可能導(dǎo)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(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。

素材來源：光伏頭條