太阳电池片的电性能测量技术

国家光伏产业计量测试中心为了满足光伏产业工作参考太阳电池的测量和光伏产业不断提高的测量校准需求和测量准确度要求, 配备整体性能达到行业一流水平的超稳型稳态3A+级稳态太阳模拟器, 为光伏企业提供太阳电池片的测量校准服务。测量系统配备了更方便的升降测量平台和供WPVS参考太阳电池独立使用的水冷平台, 更便于使用WPVS参考太阳电池作为标准器对太阳模拟器辐照度进行设置;探针也进行了改良, 无遮挡探针更扁平化, 进一步减少了遮光;最多能配置6副探针排, 能兼容目前已出现的六主栅太阳电池的测量。

太阳电池片的测量主要有:太阳电池片面积的测量、太阳模拟器辐照度的设定、太阳电池片短路电流的测量、太阳电池片I-V曲线的测量和测量结果的修正等环节。

这个步骤使用二维影像测量仪进行, 测得太阳电池片的面积, 将供后续测量中作为转换效率计算的依据。测量过程相对简单, 将太阳电池放置在二维影像仪测量平台上, 设定好自动提取轮廓的测量参数后, 设备将自动扫描太阳电池片的外轮廓, 之后得到外轮廓内的面积。面积的测量有两点值得注意:一是电池片一般存在内部应力, 因此通常都不会自行服贴在测量平台上, 需要使用适当的配重对电池进行平压, 否则电池片中间鼓起或两边翘起均会影响测量准确度;二是建议打开影像测量仪的下部光源, 而不是一般习惯的上部光源, 因为这样能得到由全黑的电池片覆盖区域和全白的灯光透过区域组成的高对比度图像, 更有利于边界的提取。如果使用的是镜头四周的上部光源, 虽然清楚看到电池表面的纹理, 但遇到边界处有烧结产生的晕纹或类似的高对比度纹理的地方, 测量系统均容易捕获成边界, 从而造成轮廓提取错误, 影响测量。

国家光伏中心使用超稳定型A+A+A+稳态太阳模拟器 (光谱不匹配度≤8%、210cm×210cm面积下辐照度不均匀度0.9%、30min内辐照度不稳定度0.15%) 、四象限源表和真空吸附温控测量平台 (温控准确度0.1℃) 进行太阳电池片的测量。调节太阳模拟器辐照度的溯源器件为Fraunhofer ISE生产的单晶/多晶WPVS参考太阳电池, 经德国联邦物理技术研究院 (PTB) 以微分光谱响应 (Differential Spectral Response, DSR) 法校准, 校准不确定度为0.52%。

在太阳模拟器氙灯点亮30min后, 设备进入稳定工作状态, 此时将经水冷控温的WPVS参考太阳电池放置在太阳模拟器指定辐照面的中央 (也是辐照度均匀性校准的平均值所处位置) , 打开模拟器快门, 持续监控WPVS的电流信号输出和温度信号输出, 在其温度在5min内保持 (25±0.1) ℃后, 连续测量其短路电流1min (每秒采集1个数) , 得到60个测量结果计算平均值作为测量结果, 再按WPVS的报告值折算太阳模拟器当前的辐照度。如当前辐照度偏离1000W/m超过±0.5%, 则调节光强后, 重复上述操作, 直至辐照度达到要求的范围。

使用真空吸附温控平台配合无遮挡探针进行。与传统排针不同, 设计制作的无遮挡探针在太阳电池两边伸出, 只接触主栅线的两端, 因此不会在电池的上方造成任何阴影。这样将最大限度复现使用WPVS参考电池设定模拟器光强时的测量环境, 且客观反映电池片的全部光电转换能力。

当然, 该探针不可能完全做到100%无遮挡, 因此探针设定的位置, 以接触良好能完全引出电池片电流为首要条件, 在此基础上尽量调节探针位置使其产生的阴影最小化。另外, 扫描电压步进、每个扫描点的停留时间、扫描点数和源表NPLC参数的设定均要依据被测电池片的特性设定。

太阳电池I-V特性曲线是电池性能的主要表征手段, 其中包括短路电流、开路电压和曲线中的最大功率点。这一环节的测量, 使用了常规探针排进行。在上一步采用的无遮挡探针卸下后, 按电池片主栅的数量换上相应的探针排。探针排设计采用全铜材料, 探针宽度为1.5mm, 针尖成皇冠状, 带有5个尖刺, 探针下压时能充分扎进主栅银浆材料中, 形成良好的接触。探针排最大宽度为2.5mm, 最小宽度为1.9mm, 配合太阳模拟器的0.8°的准直半角, 只会在电池片上产生相当有限的阴影面积。

虽然阴影面积有限, 但换上探针排后, 短路电流衰减通常也会达到1.5%以上, 因此在这个步骤将上调太阳模拟器辐照度, 以将阴影遮挡产生的短路电流衰减补偿回去。待辐照度补偿至无遮挡条件下测得值后, 可开始测量电池的整条I-V曲线。测量的机制有一个触发条件, 就是温控平台温度没达到 (25±0.2) ℃范围内, 源表不工作, 测量不会触发, 只有温度达到设定范围内, 源表触发进行测量。

目前高效电池越来越普遍, 很多高效电池具有比较高的电容效应, 如HIT电池、N型电池等。测量该类电池, 每个测试点需要设定相对较长的停留时间, 且需要进行正向和反向扫描, 两种扫描方向均能获得比较一致的I-V曲线时, 测量值才可信。

此外, 还有软件控制系统, 负责对所有硬件设备的控制和自动测量。测量后能导出测量界面上显示的所有测量结果和原始数据。

测量完毕后, 得到的测量结果包括短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmpp、最大功率电流点Impp、最大功率电压点Vmpp、转换效率η和填充因子FF等参数。

测量结果的修正一般包含光谱失配修正、辐照度修正和温度修正。

按照IEC60904-7, 对校准用光源辐照度的光谱失配修正如式 (1) :

式中:Geff———光源的有效辐照度;MM———光谱失配修正因子;Gmeas———通过二级参考短路电流测量到的光源辐照度。

按式 (1) 的含义, 修正的方法有两个:一是按照式 (1) , 将光源的有效辐照度直接调节到1000W/m, 这只适用于使用太阳模拟器的场合;二是计算了MM后, 按照式 (1) 计算有效辐照度, 并根据IEC60891对测量得到的电流-电压特性曲线进行辐照度 (温度) 修正。

另外, MM的计算如式 (2) 所示:

式中:Eref (λ) ———IEC60904-3定义的AM1.5G参考光谱在波长λ下的光谱辐照度;Sref (λ) ———上一级标准器在波长λ下的光谱响应;Emeas(λ) ———使用测量设备测得的校准用光源在波长λ下的光谱辐照度;Smeas (λ) ———被校准参考电池在波长λ下的光谱响应。

从式 (2) 可看出, 光谱失配修正因子MM的来源是标准器的光谱响应、被校物的光谱响应、AM1.5G参考光谱分布和校准用光源光谱分布交叉作用的结果, 涵盖了两种光谱响应和两种光谱分布的相互作用。同时也可知, 假如标准器和被校物的光谱响应完全一致, 或者校准用光源光谱分布和AM1.5G参考光谱分布完全一致, 则MM为1, 即不需要进行光谱失配修正。这也是在日本光伏测量设备行业一致追求太阳模拟器的光谱无限接近AM1.5G参考光谱分布的原因, 因为不可能对每一个被测电池都找到对应的使用一模一样制备和封装技术的参考电池。

在国家光伏产业计量中心, 被测电池片的光谱响应曲线使用量子效率仪测得。该设备能产生1mm×3mm大小的单色光斑, 能照射在电池片中两根细栅之间, 进而测得 (280~1680) nm范围内以5nm为步进的相对光谱响应。太阳模拟器的光谱分布使用分光辐射仪测量。对稳态太阳模拟器的光谱分布测量, 需要适当选择分光辐射仪的积分时间, 积分时间过长或过短均会明显影响测量结果。WPVS参考电池的光谱响应, 除了可按照德国PTB校准后给出的数据外, 国家光伏产业计量中心也可使用自有的DSR系统进行绝对光谱响应测量。

要进行辐照度修正的原因主要有两个方面:一是调节太阳模拟器辐照度时往往不可能将其调至绝对的1000W/m, 这就需要对实际辐照度进行往1000W/m的折算;二是使用探针排测量I-V曲线时, 补偿辐照度后测得的短路电流也不可能完全等同于使用无遮挡探针时测得的相应值, 因此也要按比例进行折算, 否则上述两项的测量偏差叠加后测量准确度很可能降低0.5%以上。

(1) 总体修正方法

IEC60891提供了3种辐照度-温度修正方式, 方式1适合校准过程中辐照度能保持稳定的情况;方式2适用于实际校准的辐照度与需要修正的目标辐照度差异超过20%的情况, 通常使用于自然阳光法校准中, 因为自然阳光的辐照强度不可控;方式3适用于经过光谱失配修正因子、参考电池的短路电流温度系数、开路电压温度系数等修正参数不可知的情况下, 可通过最少3次I-V特性曲线测量得到经过辐照度-温度修正后的I-V特性曲线。

由于测量使用太阳模拟器提供模拟阳光, 校准过程中辐照度的变化相当小, 更不存在辐照度距离1000W/m超过20%的情况;而校准装置包含了温控平台, 可以很方便地测得工作参考的短路电流和开路电压的温度系数, 因此在这里只使用方式1进行辐照度-温度的修正。

首先进行辐照度的修正, 修正后的辐照度用式 (3) 获得:

式中:IRC———在校准中测得的标准参考电池的短路电流值;IRC, STC———标准参考电池在STC下的校准值;αRC———标准参考电池短路电流的温度系数;TRC———在校准中测量到的标准参考电池的温度。

当然, 如果存在光谱失配的情况, 式 (3) 计算得到的辐照度还要使用式 (1) 计算其实际的有效辐照度。

之后, 按照式 (4) 、式 (5) 对测得的工作参考太阳电池的I-V特性曲线进行辐照度-温度修正:

式中:I1、V1———实际测得的电流-电压数据点;I2、V2———修正后的电流-电压数据点;G1———通过二级参考的短路电流测得的阳光辐照度, 如式 (3) 计算得到的辐照度;G2———需要修正到的目标辐照度, 通常是1000W/m;T1———校准时测得的工作参考的温度;T2———需要修正到的目标温度, 通常是25℃;α———二级参考的电流在目标辐照度 (1000W/m) 下的温度系数;β———二级参考的电压在目标辐照度 (1000W/m) 下的温度系数;RS———二级参考内部的串联电阻;k———曲线修正系数。

(2) 二级参考温度系数α和β的确定

在覆盖25℃的目标温度范围内 (至少是30℃) , 温度改变步长不超过5℃下, 在目标温度范围的一个端点开始变化至另一个端点, 变化过程中待温度稳定时, 测得在约1000W/m辐照强度下二级参考的短路电流和开路电压。

完成整个温度范围内的测量后, 使用最小二乘法对测得数据进行拟合, 按拟合公式的斜率作为对应参数的温度系数, 电流的温度系数为α, 电压的温度系数为β。中心的稳态太阳模拟器可很方便地直接自动测量这两个温度系数。

(3) 二级参考内部串联电阻RS的确定

该参数需要在至少3种不同的辐照度下进行, 且应该使用自动测量系统, 否则操作上不容易实现。中心的稳态太阳模拟器可很方便地直接自动测量该参数。

(4) 曲线修正系数k的确定

测量步骤与温度系数的确定过程类似, 需要保证测量过程中辐照度的稳定, 变化量不超过1%, 测量过程中改变的测量参数是温度。将不同二级参考太阳电池温度设定下测得的I-V曲线, 得到的结果如图1所示。

之后, 用k=0并使用式 (4) 和式 (5) 对曲线进行修正, 得到的曲线如图2所示。

之后, 以k=1mΩ/K为步进, 代入式 (4) 和式 (5) , 对各条I-V特性曲线重新修正, 直至最大功率的偏差小于0.5%, 则可以认为曲线修正系数k已经确定。修正后的曲线如图3所示。

国家光伏产业计量测试中心采用的上述测量技术和修正步骤及方法, 能科学合理地对国内外常规太阳电池片进行准确测量和结果修正。利用Fraunhofe ISE标定的电池片进行验证, 短路电流、开路电压和最大功率的相对偏差均不超过±0.2%。如需要测量特殊类型的太阳电池, 如钙钛矿电池、双面电池和叠层电池等, 则可相应地对测量平台、夹持具和测量程序进行调整。