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电致发光试验检测

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发布时间：2025-07-23 15:16:44 更新时间：2025-07-22 15:16:45

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

电致发光试验检测

电致发光（Electroluminescence, EL）试验检测是一种非破坏性、高分辨率的成像技术，主要用于评估半导体器件，特别是光伏太阳能电池和组件的内部缺陷、工艺质量及性能一致性。其核心原理在于：当给半导体器件（如太阳能电池）施加正向偏压时，注入的少数载流子（电子和空穴）会在PN结区域或缺陷位置附近复合，同时以光子的形式释放能量，即产生电致发光现象。不同区域的发光强度直接反映了该区域的少数载流子复合效率、材料质量以及是否存在缺陷。因此，通过高灵敏度相机捕获这种微弱的发光图像，就能直观、清晰地呈现出电池片或组件内部的隐裂、碎片、断栅、虚焊、黑芯、黑边、工艺污染、材料不均匀性（如位错、杂质）、烧结不良、PID效应等各类缺陷。该技术因其操作简便、结果直观、信息丰富，已成为光伏制造、研发和质量控制环节不可或缺的关键检测手段，广泛应用于生产线过程监控、来料检验、成品出厂测试以及电站安装后验收和运维诊断。

检测项目

电致发光检测主要针对以下关键项目进行评估：

1. 隐裂与碎片： 识别电池片内部或边缘的细微裂纹以及碎片，这些是导致组件功率衰减和早期失效的主要原因。
2. 断栅、虚焊与烧结不良： 检测金属栅线（主栅、细栅）的断裂、与硅基体接触不良（虚焊）或烧结工艺不当导致的导电性差等问题，直接影响电流收集效率。
3. 材料缺陷与污染： 发现硅片中的位错、晶界、杂质聚集区（如黑芯、黑斑、黑边），以及工艺过程中引入的污染等，这些缺陷会成为复合中心，降低载流子寿命。
4. PID效应： 判断组件是否存在电位诱导衰减（PID）现象，PID严重的区域在EL图像中通常表现为大面积暗区。
5. 工艺均匀性与一致性： 评估扩散、镀膜、丝网印刷等工艺的均匀性，以及同一组件内不同电池片之间的性能差异。

检测仪器

电致发光检测系统的核心仪器包括：

1. 电致发光成像暗箱： 提供一个完全避光的测试环境，避免环境光干扰对微弱EL信号的探测。
2. 可编程直流电源： 用于向被测光伏组件或电池片施加精确控制的正向偏置电流或电压，激发电致发光。
3. 高灵敏度制冷CCD或sCMOS相机： 这是系统的“眼睛”。通常需要深制冷（如-60℃或更低）以极大降低暗电流噪声，配备高量子效率的传感器，能够捕获极其微弱的近红外光（硅电池EL光波长约1100-1200nm）。
4. 近红外（NIR）镜头： 专门针对硅材料EL发光的近红外波段优化的镜头，确保成像清晰度和光通量。
5. 图像采集与控制软件： 控制电源输出、相机参数（如曝光时间、增益）、图像采集、存储、处理和缺陷分析。高级软件能进行自动缺陷识别（ADI）和分级。
6. (可选) 锁相放大器： 在需要极高信噪比或进行锁相EL检测时使用，用于调制激发电流并同步检测相机信号。

检测方法

电致发光检测的标准操作流程通常如下：

1. 样品准备： 将被测光伏组件或电池片（通常需从组件中取出单颗电池）牢固放置在暗箱内的测试平台上，确保电极接触良好。对于组件，需要连接外部电源线。
2. 避光与连接： 关闭暗箱门，确保完全黑暗。将直流电源的正负极分别连接到被测样品（电池或组件）的正负极上。
3. 参数设置： 在控制软件中设置测试参数，主要包括：
- 偏置条件： 施加略高于被测样品开路电压(Voc)的正向电压，或施加接近/等于短路电流(Isc)的正向电流。电压/电流值的选择需足以激发明显的EL信号，同时避免对样品造成损伤（如热击穿）。施加时间通常为数秒至几十秒。
- 相机参数： 设定合适的曝光时间和增益。曝光时间通常较长（几秒到几十秒），以积累足够的EL光子；增益用于放大信号，但需权衡引入的噪声。
4. 激发与成像： 启动测试程序，电源输出设定的电流/电压，同时相机开始曝光采集EL图像。对于组件，有时采用分段扫描的方式对大尺寸样品成像。
5. 图像获取与分析： 采集完成后，软件保存原始EL图像。操作人员或软件算法根据图像的明暗对比（发光强度差异）来识别、定位和分类缺陷。明亮区域表示复合效率高、质量好；黑暗区域（或线条）则对应缺陷或复合中心。

检测标准

电致发光检测在光伏领域的应用已形成一系列国际和国家/行业标准，为检测流程、仪器要求、图像解读及缺陷判定提供了依据：

1. 国际电工委员会标准 (IEC)：
- IEC TS 60904-13:2018： 《光伏器件第13部分：电致发光光伏器件缺陷检测》这是专门针对EL检测的核心标准，详细规定了测试条件（电流/电压、曝光时间等）、设备要求（暗室、相机灵敏度、分辨率）、测试程序、图像格式以及典型缺陷的识别指南。
- IEC 61215 / IEC 61730 系列： 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型、安全要求标准中，EL测试被广泛用作识别严重外观缺陷（如隐裂）以及评估机械载荷试验、热循环试验、湿热试验等老化测试前后内部损伤的重要方法。
2. 中国国家标准 (GB) 和行业标准：
- GB/T 37053-2018： 《光伏电池电极栅线焊接剥离强度的测试方法》中提及可使用EL辅助判断焊接质量。
- GB/T 33901-2017 / GB/T 34932-2017： 地面用晶体硅光伏组件等标准也引用了EL测试作为内部缺陷检查手段。
- CNCA/CPVS 0001： 《光伏组件认证技术规范》明确要求利用EL成像对组件进行隐裂等内部缺陷检查。
- 各主要光伏制造企业通常也会制定更严格、更细化的内部EL检测标准和缺陷验收规范（如晶科、隆基、天合、阿特斯、汉能等企业标准）。
3. 关键考量： 执行EL检测时，严格遵守相关标准对于保证测试结果的可重复性、可比性以及公正性至关重要。同时，对缺陷的判定标准（如允许的隐裂长度、位置、数量等）往往需要结合具体客户要求、产品类型（单晶/多晶）和应用场景（电站等级）来确定。