基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的光伏組件電致發(fā)光自動(dòng)識(shí)別分析測(cè)試系統(tǒng)的研制

■ 龔道仁 袁志鐘 趙文 東野長(zhǎng)旭 陳勇 姚宏 尤奇 喻書(shū)豪 朱佳

(1. 揚(yáng)州光電產(chǎn)品檢測(cè)中心，國(guó)家級(jí)光電產(chǎn)品檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；3. 青島智目科技公司；4. 中國(guó)海洋大學(xué)信息學(xué)院)

0 引言

在可再生能源技術(shù)中，太陽(yáng)能光伏是最重要的技術(shù)之一，其產(chǎn)品占有較大的可再生能源市場(chǎng)份額[1]。對(duì)于太陽(yáng)能光伏的終端產(chǎn)品——組件而言，在進(jìn)入市場(chǎng)之前，必須通過(guò)一系列的認(rèn)證[2-5]。目前的國(guó)際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)主要有德國(guó)萊茵TüV[6]、德國(guó)南德TüV[7]和美國(guó)UL[8]，這幾家認(rèn)證機(jī)構(gòu)占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。其中IEC 61215、IEC 61646和IEC 61730是光伏組件出口到歐盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，UL 1703是光伏組件出口到美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的具體名稱如表1所示。

一般而言，太陽(yáng)能光伏組件的認(rèn)證工作由一系列的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試組成。組件產(chǎn)品只有全部通過(guò)所有測(cè)試，才能獲得認(rèn)證證書(shū)，才可在相應(yīng)市場(chǎng)銷(xiāo)售。這些測(cè)試包括：外觀檢查、最大功率測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試、濕漏電流測(cè)試等。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，上述標(biāo)準(zhǔn)中光伏組件最大功率的下降與其電致發(fā)光圖譜中發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)電池片的缺陷有直接聯(lián)系，因此目前在測(cè)試和認(rèn)證中已大量引入電致發(fā)光測(cè)試作為重要的輔助手段，如揚(yáng)州光電產(chǎn)品檢測(cè)中心就配備了光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試設(shè)備。但光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試不同于其他的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，其測(cè)試參數(shù)容易標(biāo)準(zhǔn)化但測(cè)試結(jié)果難以評(píng)價(jià)。因此，光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，對(duì)電池發(fā)光圖像的缺陷分析、評(píng)級(jí)、對(duì)未來(lái)效能的評(píng)價(jià)等是難點(diǎn)，也是目前研究熱點(diǎn)。但到目前為止，幾乎所有的光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)僅能得到組件的電致發(fā)光圖像，需要借助工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行解讀，得到的信息包括：組件中缺陷電池的數(shù)量、缺陷的位置、缺陷類(lèi)型等。我們的目標(biāo)是將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合到光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試設(shè)備中，能夠利用軟件自動(dòng)識(shí)別電致發(fā)光測(cè)試圖像中的缺陷電池及缺陷的類(lèi)型，這樣可避免人為操作可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤并大幅提高工作效率。

表1 光伏組件檢測(cè)認(rèn)證的主要標(biāo)準(zhǔn)

1 電致發(fā)光原理及太陽(yáng)電池電致發(fā)光知識(shí)庫(kù)

電致發(fā)光的原理比較簡(jiǎn)單，以晶硅太陽(yáng)電池為例，即在太陽(yáng)電池正接并施加電壓電流的情況下，注入到p-n結(jié)的電子和空穴進(jìn)行輻射復(fù)合而放出近紅外光的現(xiàn)象。如果硅材料內(nèi)部有雜質(zhì)、沉淀、位錯(cuò)等缺陷[9-16]，那么電子、空穴優(yōu)先在這些缺陷處復(fù)合，從而減少或沒(méi)有近紅外光放出。如果太陽(yáng)電池的制備工藝出現(xiàn)問(wèn)題，造成硅片破裂、電極制作質(zhì)量差等不良狀況[17,18]，同樣會(huì)造成電注入的問(wèn)題，會(huì)降低其缺陷區(qū)域的電致發(fā)光強(qiáng)度。硅片不同的缺陷類(lèi)型，造成電致發(fā)光的強(qiáng)度變化是不同，其二維圖像的形貌也不同。

圖1 典型的太陽(yáng)電池電致發(fā)光測(cè)試圖

目前，針對(duì)太陽(yáng)電池、組件等，工業(yè)界采用的是拍照技術(shù)，即通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備將太陽(yáng)電池、組件的整個(gè)電致發(fā)光測(cè)試平面的情況記錄下來(lái)，形成二維圖。圖1即為典型的太陽(yáng)電池電致發(fā)光測(cè)試圖像，可清晰地看到3條黑線，對(duì)應(yīng)電池正面的3條主柵線，其余的灰色部分則是太陽(yáng)電池發(fā)出的近紅外光。在電致發(fā)光的圖像中，可看到電池面上的明暗分布，并由此得出被測(cè)試系統(tǒng)的材料及工藝制程的缺陷分布、類(lèi)型等情況[19-23]。同樣，根據(jù)電池的電致發(fā)光圖像的整體明亮程度，也可判斷其光電轉(zhuǎn)化效率的高低，圖像明亮證明其材料、制造工藝缺陷少，效率較高，反之亦然。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合理論分析，我們建立了詳盡的晶硅太陽(yáng)電池的電致發(fā)光缺陷知識(shí)庫(kù)，詳細(xì)標(biāo)明了每種缺陷的類(lèi)型，簡(jiǎn)要說(shuō)明了每種缺陷的形成原因。需要說(shuō)明的是，研究對(duì)象僅限于單晶硅太陽(yáng)電池片及其組件，以及多晶硅太陽(yáng)電池片及其組件，因此知識(shí)庫(kù)中僅包含這兩類(lèi)電池片和組件相應(yīng)的電致發(fā)光缺陷相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)各種電池發(fā)光缺陷的來(lái)源，可大致分為硅片缺陷、電池片制造缺陷、組件缺陷等3大類(lèi)。硅片缺陷是指在硅片的定向凝固、切片、清洗包裝等過(guò)程中的生成缺陷，如雜質(zhì)和缺陷造成的電池電致發(fā)光黑斑、黑圈等，清洗不干凈造成的沾污從而導(dǎo)致的電致發(fā)光圖像的暗團(tuán)等；電池片制造缺陷是指在電池片的制絨、印刷、燒結(jié)等制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，如斷柵、短路等；組件缺陷是指在電極焊接、層壓等組件制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、虛焊等。這些缺陷都對(duì)應(yīng)著不同的電致發(fā)光圖像特征。

如圖2所示，我們將知識(shí)庫(kù)中兩種缺陷展示出來(lái)，該樣片為單晶硅太陽(yáng)電池片，兩種缺陷分別為壞柵線(圖中橢圓，紅色)和裂紋(圖中圓圈，紫色)。其中，前者的造成原因是電池片正面的電極副柵線的電接觸不好，導(dǎo)致電注入差，因此其電致發(fā)光的亮度暗，其特點(diǎn)是形狀與副柵線平行；后者造成的原因是在電池和組件的制造過(guò)程中，電池片受外力作用形成裂紋，該處的電子和空穴輻射復(fù)合失效，不會(huì)有發(fā)光，因此呈現(xiàn)暗線條。同時(shí)可注意到，這些裂紋可表明該電池片為單晶硅電池片。對(duì)于單晶硅電池片而言，因?yàn)槠鋯尉У木w屬性，因此裂紋呈現(xiàn)規(guī)則的形狀(見(jiàn)圖2)，為直角交叉的十字形裂紋。在該圖中，僅標(biāo)出一處裂紋，還有一些類(lèi)似形態(tài)的裂紋在其周?chē)植?。其他一些太?yáng)電池的電致發(fā)光缺陷還包括：氧環(huán)、短路、沾污、黑芯、柵線印刷問(wèn)題、熱斑等，其形態(tài)特征各不相同，全部記錄在知識(shí)庫(kù)中。

圖2 太陽(yáng)電池片的兩種電致發(fā)光測(cè)試得到的缺陷

對(duì)于單晶硅和多晶硅兩種太陽(yáng)電池而言，有些電致發(fā)光表征出來(lái)的缺陷，如氧環(huán)、黑芯等，一般僅存在于單晶硅太陽(yáng)電池片中；有些缺陷在兩種電池片中機(jī)理相同，但電池發(fā)光的缺陷形貌卻有明顯不同，如裂紋，單晶硅太陽(yáng)電池片的裂紋呈現(xiàn)規(guī)則線條，最常見(jiàn)的是圖2中的十字形，而多晶硅太陽(yáng)電池，因存在眾多晶界的特性，其裂紋線條大多沒(méi)有規(guī)律。因此，在知識(shí)庫(kù)的建立工程中，要充分考慮單、多晶硅太陽(yáng)電池兩大體系的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，以及這兩種體系帶來(lái)的復(fù)雜性。

2 光伏組件的電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)

晶硅光伏組件由60片或72片太陽(yáng)電池串聯(lián)組成，然后經(jīng)過(guò)焊接、引線、層壓、封裝等多道工藝加工而成，組件長(zhǎng)度一般會(huì)達(dá)到近2 m，寬度約在1 m。目前，常見(jiàn)的光伏組件電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。光伏組件平放在測(cè)試設(shè)備黑箱支架上，玻璃面板朝上，在黑箱的頂部安裝有圖像采集器。在電力輸入組件后，組件內(nèi)的太陽(yáng)電池產(chǎn)生電致發(fā)光效應(yīng)，發(fā)出近紅外光，被圖像采集器采集得到，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將電致發(fā)光圖像傳輸?shù)胶谙渫獠康挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，顯示出光伏組件的電致發(fā)光圖像結(jié)果。

圖3 組件電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)示意圖

典型的光伏組件電致發(fā)光圖像如圖4所示，該組件為72片電池片的封裝結(jié)構(gòu)。整個(gè)組件在電輸入的情況下，每個(gè)太陽(yáng)電池都有近紅外光放出，從而在圖像采集器得到的圖像中，可看到組件內(nèi)部每一個(gè)電池的電致發(fā)光情況。圖4中還可看到，電池片組的4條邊緣線呈弧形線條，這是由于圖像采集系統(tǒng)的圖像畸變?cè)斐傻摹Ｔ谖覀兊暮罄m(xù)機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)中，將對(duì)這部分畸變進(jìn)行校正。

圖4 典型的太陽(yáng)電池組件電致發(fā)光圖像

3 缺陷檢測(cè)

3.1 缺陷檢測(cè)原理及流程

電池板EL圖像中，由于各電池片是串聯(lián)方式連接，如果電阻不一會(huì)導(dǎo)致某些電池片整體偏暗，如圖5所示。

圖5 組件中相鄰電池片呈現(xiàn)亮度不同的電致發(fā)光圖像

可看到，圖5左側(cè)圖中的缺陷部分(紅色方框區(qū)域)和右側(cè)圖中的正常部分(黃色方框)亮度幾乎一致，如果用閾值的方法會(huì)導(dǎo)致大量誤判。為分離背景和缺陷區(qū)域，我們采用了改進(jìn)的最佳閾值分割方法。

最佳閾值分割的思想是將圖像的直方圖用兩個(gè)或更多個(gè)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)來(lái)近似表示的方法，代表了一種被稱之為最佳閾值化的方法。閾值取離對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或更多個(gè)正態(tài)分布最大值之間的最小概率處最近的灰度值，其結(jié)果是最小錯(cuò)誤的分割。具體步驟為：

1)求出圖像中的最大和最小灰度值Zl和Zk，令閾值初值T0=(Zl+Zk)/2。

2)根據(jù)閾值Tk將圖像分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分， 求出兩個(gè)部分的平均灰度值ZO和ZB：

式中，Z(x,y)為圖像上(x,y)點(diǎn)的灰度值；N(x,y)為(x,y)的權(quán)重系數(shù)。

3)求出新的閾值：Tk+1=(ZO+ZB)/2。

3.2 缺陷區(qū)域檢測(cè)

求最佳閾值后，按以下步驟提取檢測(cè)區(qū)域：

1)取下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

2)用最佳閾值檢測(cè)該點(diǎn)周?chē)狞c(diǎn)，如果該點(diǎn)在其周?chē)鸀橥蛔凕c(diǎn)，如果有，則轉(zhuǎn)3)；否則轉(zhuǎn)1)。3)擴(kuò)大滑動(dòng)窗口的大小，如果在更大的搜索半徑中，依然能保持2)步驟中的比例，則該檢測(cè)點(diǎn)是缺陷點(diǎn)，如果相鄰8點(diǎn)中有缺陷點(diǎn)，鏈接該缺陷點(diǎn)。

4)如果不是最后一個(gè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)1)，否則結(jié)束。

3.3 缺陷判定

求得的缺陷點(diǎn)連接成區(qū)域，根據(jù)要檢測(cè)的電致發(fā)光缺陷如短路、沾污、黑芯、柵線印刷問(wèn)題、熱斑等的區(qū)域特征，對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。知識(shí)庫(kù)中相關(guān)內(nèi)容的豐富程度直接影響到檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

不同的缺陷類(lèi)型，檢測(cè)、判定的難度不同。例如裂紋的判斷要求比黑心，黑邊嚴(yán)格，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)裂紋將很容易破裂，導(dǎo)致整塊電池板失效。上述方法在判斷局部細(xì)小邊緣，尤其是小的裂縫時(shí)，很容易漏檢。

針對(duì)這種裂紋的特殊需求，特此定義一種線性算子即微分算子：

即在邊緣提取時(shí)，增加一個(gè)能產(chǎn)生沖激響應(yīng)的微分算符可強(qiáng)化類(lèi)似裂縫這樣的尖銳邊緣。

3.4 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

圖6 系統(tǒng)研制流程圖

圖6是具有基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、具備自動(dòng)識(shí)別功能的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖。首先要準(zhǔn)備一個(gè)較詳盡的知識(shí)庫(kù)，明確定義每一種太陽(yáng)電池缺陷對(duì)應(yīng)的電致發(fā)光圖像特點(diǎn)。系統(tǒng)的硬件部分從搭建系統(tǒng)開(kāi)始(見(jiàn)圖3)，將各種設(shè)備搭建、調(diào)試到位，然后對(duì)光伏組件進(jìn)行電致發(fā)光測(cè)試，獲得組件的電致發(fā)光圖像。在開(kāi)發(fā)的軟件里，對(duì)該圖像進(jìn)行定位、校正，然后標(biāo)定出組件中電池片上的缺陷區(qū)域，在與知識(shí)庫(kù)的比對(duì)過(guò)程中進(jìn)一步分析缺陷類(lèi)型。系統(tǒng)測(cè)試完成后，檢驗(yàn)效果，如果達(dá)到預(yù)期效果，則系統(tǒng)研發(fā)成功；如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，則從新開(kāi)始測(cè)試、軟件調(diào)試研發(fā)。

這個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)是知識(shí)庫(kù)的建立和自動(dòng)分析軟件的開(kāi)發(fā)。目前我們的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中包含材料、測(cè)試、機(jī)器視覺(jué)的開(kāi)發(fā)人員具備材料背景的人員，負(fù)責(zé)建立知識(shí)庫(kù)，具備機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)背景的人員負(fù)責(zé)編寫(xiě)自動(dòng)分析軟件，具備測(cè)試背景的人員負(fù)責(zé)測(cè)試設(shè)備的調(diào)試、維修，并提供光伏組件的電致發(fā)光圖像。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7是我們自己開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)測(cè)試軟件(該軟件已經(jīng)申請(qǐng)軟件著作權(quán)：基于機(jī)器視覺(jué)的電致發(fā)光(EL)測(cè)試系統(tǒng)軟件，申請(qǐng)?zhí)枺?014R11L251110)分析得到的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從組件電致發(fā)光圖像中選取兩個(gè)電池片圖像進(jìn)行說(shuō)明，每個(gè)電池片包含3幅圖，左側(cè)圖為原始圖像，中間圖為校正后的圖像，右側(cè)圖是針對(duì)中間圖的分析圖像。圖7a是具有黑芯缺陷的電池片，右側(cè)圖中紅色方框范圍內(nèi)是軟件自動(dòng)分析出的缺陷區(qū)域，并自動(dòng)判斷為黑芯電池片。圖7b是具有裂紋缺陷的電池片，右側(cè)圖中紅線標(biāo)示出上方一條、下方兩條裂紋。目前，我們開(kāi)發(fā)的軟件可標(biāo)示、分析絕大部分的太陽(yáng)電池片和組件的電致發(fā)光缺陷類(lèi)型。

圖7 初步的系統(tǒng)分析結(jié)果實(shí)例(紅色線條標(biāo)示的為缺陷)

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、具備自動(dòng)識(shí)別功能的太陽(yáng)能光伏組件電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：

1)能夠得到清晰的光伏組件電致發(fā)光圖像；

2)標(biāo)出了光伏組件中問(wèn)題電池片上的缺陷位置；

3)根據(jù)電致發(fā)光圖像分辨出太陽(yáng)電池的缺陷類(lèi)型。

可看出，我們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，今后將用大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度，并不斷更新、維護(hù)。另外，目前我們僅關(guān)注電致發(fā)光的缺陷類(lèi)型，其實(shí)，不同的缺陷類(lèi)型，不但其形態(tài)不同，其危害程度也不相同。下一步的工作，要把缺陷類(lèi)型與光伏組件的效率表現(xiàn)、工作壽命等數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的效率表現(xiàn)、工作壽命的預(yù)測(cè)，這項(xiàng)工作正在進(jìn)行中，需要大量的數(shù)據(jù)分析。

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