标准太阳电池的研制

2010-09-07熊利民中国计量科学研究院

上海计量测试 2010年4期

孙皓熊利民/中国计量科学研究院

0 引言

标准太阳电池是指专门标定过的太阳电池，它通过标准太阳光谱辐照度分布，来测量辐照度或设定太阳模拟器辐照度[1]。当太阳模拟器的辐照度发生变化时，照射在太阳电池上产生的短路电流与太阳模拟器的辐照度之比接近常数，因此可以通过测量短路电流的大小来获得总的辐照度强度。目前许多企业都是通过标准电池或参考电池组件板，来标定其使用的太阳模拟器辐照度大小，使其达到1000 W/m2的光强，进而在这一条件下测试批量化的电池片或电池组件。

由于标准太阳电池量值的准确性与稳定性直接关系到被测电池或组件最大功率的确定，因此在制作标准电池时的选材、工艺、封装及测试各个环节都很重要。本文介绍了标准太阳电池的设计制作过程，因该电池增加了温控及真空密封等功能，故较之国外产品其稳定性好，可靠性高。

1 功能及实现

标准太阳电池通常包括封装外壳、太阳电池、温度传感器和保护窗口。其中太阳电池类型、温度传感器类型以及保护窗口的材料都是可以选择的。主要目的都是为了确保太阳电池的寿命及稳定性。

基本设计方案：标准太阳电池采用2 cm×2 cm、四角均为90°的单体太阳电池，经过老化筛选，选择稳定性好、表面均匀的进行全密封式封装。太阳电池置于方形铝基座的中心，并配有一个抗辐照玻璃保护窗口，窗口的封装采用透明性好、折射系数与玻璃相近的光敏胶。太阳电池pn结下方装有温度传感器。太阳电池和测温传感器均采用四线输出（图1）。

图1 单体太阳电池封装示意图

1.1 电池片的老化及筛选

由于多晶硅表面的不均匀性，使得标准太阳电池多采用单晶硅太阳电池。首先选择表面颜色均匀一致、无隐裂划伤的电池片，沿两条主栅线方向从背面进行切割，调整激光划片机功率以免击穿电极，将电池片切割成2 cm×2 cm的尺寸(不包括主栅线宽度)。然后将切割好的样品置于辐照度为1000±50 W/m2的ELH卤素灯下，连续照射20 h后在室内存放4 h为一周期，共试验三个周期。之后测试电池片的I-V特性，选择填充因子FF大于0.70的电池片用四线开尔文连接方式焊接，导线选择极细的耐高温线，焊接时注意不要污染电池片的受光面，焊点要小且牢固。

1.2 玻璃保护窗口的选用

单晶硅太阳电池的光谱响应范围一般为(300-1100)nm，因此要选用在该波段范围内透过率都较高且较为平坦的玻璃材料作为保护窗口，才能不影响太阳电池的光谱选择性。另外由于电池片本身面积较小，限制了玻璃窗口的厚度。这里选用1 mm厚的空间抗辐照玻璃盖片，其透过率在(400-1100)nm波段内均大于91%，如图2所示。

图2 空间抗辐照玻璃盖片透过率曲线

由于薄膜电池的响应时间长，光致衰减现象明显，使其不适合作为标准器件进行量子传递。而不同类型电池相互标定时，由于光谱响应度不同，导致光谱失配问题严重，因此研制一种性能稳定的模拟非晶硅电池成为必要。薄膜电池的光谱响应主要集中在可见波段，峰值波长在500 nm左右，选用如图3所示的青蓝色玻璃作为滤光片配合单晶硅太阳电池，即可模拟薄膜电池的输出曲线。

图3 青蓝色玻璃透过率曲线

1.3 温度传感器及控温设计

温度传感器采用一级Pt100铂电阻，由四线Kelvin连接方式进行焊接，用绝缘导热硅胶将其附着在太阳电池背后。封装外壳整体采用阳极电镀铝材料，内部设计有密闭多路循环水槽基座，基座紧贴测温传感器，因此可以快速测温控温。基座有进出两个水嘴可以连接到恒温水槽。

1.4 电池片的封装

选择网纹EVA和黑色哑光面PET作为封装材料。首先将其裁剪成规定大小，按照组件的封装方式进行铺设，即玻璃—EVA—电池片—EVA—PET，然后放入真空干燥箱内进行层压，待EVA固化后将其取出。电池片和温度传感器的输出端均采用四芯航空插头引出（图4）。

图4 单晶硅、模拟非晶硅太阳电池成品图

2 使用方法

将太阳电池水平放置在太阳模拟器下，进出端的水嘴分别接到恒温水箱上，调整其设定温度，使水温恒定在25±1℃。将温度传感器的信号输出端连接到热敏电阻测温仪，实时监控太阳电池的温度变化来调整水箱的温度。如果测试光源为瞬态太阳模拟器，则不需要水冷控温。将太阳电池的信号输出端接入I-V曲线测试仪或电流计，开启模拟器并调整其辐照度输出，记录太阳电池的短路电流变化。当太阳电池的短路电流达到其标称的短路电流值时，认为此时太阳模拟器输出为1000 W/m2。

3 实验结果分析

太阳电池的计量项目通常包括两方面：光谱响应度测试和I-V特性曲线的测量，由此可以计算出太阳电池在标准太阳光谱条件下的短路电流和标定值。标准测试条件为辐照度1000 W/m2，光谱采用AM1.5G标准太阳光谱，测试温度25℃。

3.1 光谱响应度及量子效率

太阳电池的光谱响应度和量子效率，对分析太阳能电池的工艺问题以及研究电池片的性能有重要的参考价值（图5、6、7）。光谱响应度定义为在规定的波长上，太阳电池输出的短路电流与照射到该电池表面的辐照度之比。由光谱响应数据可以推算出量子效率 η(λ)，公式：η(λ)=1240×R(λ)/λ。 (1)

图5 太阳电池光谱响应度测量装置

图6 单晶硅电池的光谱响应及量子效率曲线

图7 模拟非晶硅电池的光谱响应及量子效率曲线

太阳电池的标定值CV定义为在标准测试条件下，标准太阳电池的短路电流与辐照度之比。当太阳电池的短路电流等于其标定值时，即可认为太阳模拟器的辐照度达到一个太阳常数，即1000 W/m2。由于没有与标准AM1.5G太阳光谱分布完全一致的光源，因此无法直接测量出太阳电池在标准太阳辐照条件下的短路电流。但通过测量太阳电池的光谱响应度R(λ)，将其与标准AM1.5G光谱辐照度分布S(λ)相乘并积分，可以理论计算得到短路电流密度，然后乘以电池的有效受光面积即可得到短路电流：

其中Jsc— 短路电流密度，单位A/m2；

R(λ)— 光谱响应度，单位 A/W；

S(λ)— 光谱辐照度分布，单位 W/m2/nm；

Isc— 短路电流，单位A；

A—电池有效受光面积，单位m2。

3.2 I-V特性曲线

太阳电池的典型输出曲线如图8、图9，通过I-V特性曲线可以得出许多重要参数，包括开路电压VOC、短路电流ISC、最大功率Pmax、最大功率时对应的电流Imax和电压Vmax、填充因子FF、转换效率η等。

图8 室内户外太阳电池I-V特性测量装置

图9 太阳电池的I-V特性曲线

在太阳模拟器条件下测量电池的I-V特性时，辐照度大小可由理论计算出的标准电池短路电流值来设定，并通过光谱失配因子M进行修正。将标准电池放置在太阳模拟器下，保证其温度恒定在25℃左右，测量短路电流。调整模拟器的输出功率，当电池短路电流达到修正后的理论短路电流值时，即可认为模拟器的输出为1000 W/m2。表1为两个测试样品在一个太阳常数下的实测I-V曲线特征值。

表1 两类电池的I-V曲线特征值

3.3 ISC及VOC的温度系数

首先连接太阳电池的温控和测温装置，水箱温度设置在25±1℃，然后将太阳模拟器的辐照度调整到1000 W/m2，测量太阳电池的开路电压和短路电流。不断将水箱温度升温，待温度稳定后依次测量开路电压和短路电流，直至达到所需温度范围的最高点。然后用统计方法处理数据，画出短路电流及开路电压的温度曲线。在所需温度范围的中点求出两条曲线的斜率，即为短路电流温度系数α和开路电压温度系数β。图10、图11为两个测试样品的实测温度曲线。由图中可以看出短路电流随温度变化不大，而开路电压随温度升高线性下降。小范围内温度的浮动对两个参数影响都不明显。