電致發(fā)光（EL）成像技術(shù)作為光伏電池缺陷檢測與性能評估的重要手段，目前主要基于實驗室暗室環(huán)境下獲取的高分辨率CMOS圖像進(jìn)行模型開發(fā)與驗證。然而，隨著該技術(shù)在現(xiàn)場檢測中的推廣應(yīng)用，實際應(yīng)用中面臨著成像條件差異帶來的挑戰(zhàn)：現(xiàn)場檢測通常使用分辨率較低但對硅發(fā)光波段更敏感的InGaAs相機(jī)，且日光環(huán)境會引入背景輻照噪聲，這些因素對現(xiàn)有功率損失仿真模型準(zhǔn)確性的影響尚未明確。美能PL/EL一體機(jī)測試儀的EL電致發(fā)光成像通過探針上電，可以分析電池的缺陷，尤其是電極和接觸異常，屬于接觸式測試，適合測試成品電池片。

本研究選取代表性分析模型bELMO與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型DTU ML，通過設(shè)計對照實驗，采集包括完好與不同裂紋程度的電池樣本在多種成像條件下的EL圖像（涵蓋CMOS與InGaAs相機(jī)、暗室與不同輻照度日光環(huán)境），重點(diǎn)考察相機(jī)類型、圖像分辨率及日光噪聲對功率損失估算精度的影響。研究旨在明確現(xiàn)有模型在實際應(yīng)用場景中的局限性，為EL技術(shù)從實驗室走向現(xiàn)場檢測的標(biāo)準(zhǔn)化提供關(guān)鍵依據(jù)。

電致發(fā)光（EL）成像技術(shù)的應(yīng)用

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不同成像條件下獲取的裂紋4主柵電池EL圖像及其對應(yīng)直方圖

電致發(fā)光（EL）成像是光伏電池表征的核心技術(shù)之一。自該技術(shù)問世以來，其早期應(yīng)用主要集中在黑暗實驗室；但近年來，隨著大型光伏電站運(yùn)維需求的提升，EL 成像在日光現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。

EL圖像的核心用途有兩類：一是識別光伏電池及組件中的缺陷與退化問題，二是量化光伏電池的功率損失—— 具體而言，可將 EL 圖像轉(zhuǎn)換為“空間分辨的電池電壓與串聯(lián)電阻（Rs）分布圖”，再借助這些電參數(shù)圖實現(xiàn)電池與組件級別的功率輸出模擬。

在技術(shù)路徑上，目前主要分為兩類方法：

分析型方法：基于“發(fā)光強(qiáng)度與電壓的關(guān)聯(lián)關(guān)系”開發(fā)，可將 EL 強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為圖像中每個像素的電壓值。對于含裂紋的電池，行業(yè)通常假設(shè)“退化主要影響串聯(lián)電阻”，因此可將電壓圖進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為Rs圖，再融入單二極管模型完成功率輸出模擬。

數(shù)據(jù)驅(qū)動型方法：即基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，需依托大量“EL 圖像 - IV 曲線”配對數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，通過學(xué)習(xí)圖像特征與電性能的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)功率損失模擬。

然而，當(dāng)前多數(shù)模型的開發(fā)、訓(xùn)練和測試，均依賴“黑暗實驗室 + 高分辨率 CMOS 相機(jī)”獲取的 EL 圖像；但實際現(xiàn)場檢測中，常用的是低分辨率 InGaAs 相機(jī)（這類相機(jī)在硅材料的發(fā)射帶隙處靈敏度更高）。目前，相機(jī)探測器類型、分辨率差異對模型估算精度的影響，尚未得到明確驗證。

實驗設(shè)計

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實驗配置與成像參數(shù)匯總

樣本設(shè)置：25個單晶硅電池樣本，涵蓋2-5主柵及背接觸結(jié)構(gòu)，包含完好與不同裂紋程度樣本

圖像采集：

實驗室暗室：CMOS相機(jī) vs InGaAs相機(jī)

戶外日光：低輻照度（<200W/m2）vs 高輻照度（>800W/m2）

分析方法：

bELMO模型：基于雙偏壓EL圖像生成串聯(lián)電阻分布圖

DTU ML模型：基于圖像標(biāo)準(zhǔn)差和裂紋面積比例進(jìn)行預(yù)測

bELMO模型表現(xiàn)

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bELMO模型生成的裂紋4主柵電池串聯(lián)電阻分布圖

bELMO模型仿真絕對誤差百分比分布（參考電池 vs 退化電池）

bELMO模型功率仿真誤差指標(biāo)

對完好電池預(yù)測誤差<4%，與文獻(xiàn)一致

嚴(yán)重裂紋電池誤差最高達(dá)40%

InGaAs相機(jī)圖像中裂紋區(qū)域呈現(xiàn)更高串聯(lián)電阻值

日光條件（尤其高輻照度）導(dǎo)致誤差顯著增大

DTU機(jī)器學(xué)習(xí)模型表現(xiàn)

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DTU機(jī)器學(xué)習(xí)模型仿真絕對誤差百分比分布（參考電池 vs 退化電池）

DTU機(jī)器學(xué)習(xí)模型功率仿真誤差指標(biāo)

對完好電池預(yù)測準(zhǔn)確，日光條件下表現(xiàn)更優(yōu)

嚴(yán)重裂紋電池誤差明顯上升

相機(jī)分辨率變化影響較小

高輻照度條件下誤差離散度增大

討論與結(jié)論

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各電池組別在bELMO與DTU ML模型下的平均絕對誤差百分比對比

參考電池與裂紋退化電池的I-V特性曲線對比

穩(wěn)定性對比：bELMO在不同條件下表現(xiàn)更穩(wěn)定，DTU ML在日光條件下誤差波動更大

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

圖像分辨率對兩類模型影響有限

日光噪聲是模型性能下降主因

復(fù)雜裂紋（伴隨串聯(lián)/旁路電阻同步退化）是現(xiàn)有模型的共同挑戰(zhàn)

改進(jìn)方向：

分析模型需突破"純電阻退化"假設(shè)

機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要擴(kuò)充包含復(fù)雜退化模式的訓(xùn)練數(shù)據(jù)

應(yīng)用建議：現(xiàn)場檢測應(yīng)重點(diǎn)考慮日光噪聲抑制措施，并對嚴(yán)重裂紋電池的功率損失估算保持謹(jǐn)慎

本研究通過系統(tǒng)評估分析模型bELMO與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型DTU ML在不同成像條件下的性能表現(xiàn)，得出以下結(jié)論：兩種模型對輕微損傷電池均能保持較高預(yù)測精度，但在處理嚴(yán)重裂紋電池時誤差顯著增大；日光條件特別是高輻照度環(huán)境會明顯降低模型性能，其中bELMO表現(xiàn)出更好的整體穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)相機(jī)分辨率變化對兩類模型影響有限，而日光噪聲是導(dǎo)致性能下降的主要因素。特別值得注意的是，當(dāng)電池裂紋伴隨串聯(lián)電阻和旁路電阻同時退化時，兩類模型均出現(xiàn)較大誤差，這暴露了分析模型基于"純電阻退化"假設(shè)的局限性，以及機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)覆蓋不足的問題。該研究為EL技術(shù)在現(xiàn)場檢測中的實際應(yīng)用提供了重要依據(jù)，指出未來模型優(yōu)化應(yīng)著重提升對復(fù)雜退化模式的表征能力和日光環(huán)境的適應(yīng)性。

美能PL/EL一體機(jī)測試儀

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美能PL/EL一體機(jī)測試儀模擬太陽光照射鈣鈦礦太陽能電池片，均勻照亮整個樣品，并用專業(yè)的鏡頭采集光致發(fā)光（PL）信號，獲得PL成像；電致發(fā)光（EL）信號，獲得EL成像。通過圖像算法和軟件對捕獲的PL/EL成像進(jìn)行處理和分析，并識別出PL/EL缺陷，根據(jù)其特征進(jìn)行分析、分類、歸納等。

• EL/PL成像，500萬像素，實現(xiàn)多種成像精度切換
• 光譜響應(yīng)范圍：400nm~1200nm
• PL光源：藍(lán)光（可定制光源尺寸、波長等)
• 多種缺陷識別分析(麻點(diǎn)、發(fā)暗、邊緣入侵等)可定制缺陷種類

美能PL/EL一體機(jī)測試儀對晶硅太陽能電池片內(nèi)部的缺陷，如晶體缺陷、雜質(zhì)等，進(jìn)行高精度檢測從而幫助生產(chǎn)人員及時調(diào)整工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

原文參考：Benchmarking Power Loss Simulation Models for Cracked Photovoltaic Cells Using Electroluminescence Images: The Effect of Daylight and Image Resolution