標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的研制

孫 皓 熊利民/中國計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池是指專門標(biāo)定過的太陽電池，它通過標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照度分布，來測量輻照度或設(shè)定太陽模擬器輻照度[1]。當(dāng)太陽模擬器的輻照度發(fā)生變化時(shí)，照射在太陽電池上產(chǎn)生的短路電流與太陽模擬器的輻照度之比接近常數(shù)，因此可以通過測量短路電流的大小來獲得總的輻照度強(qiáng)度。目前許多企業(yè)都是通過標(biāo)準(zhǔn)電池或參考電池組件板，來標(biāo)定其使用的太陽模擬器輻照度大小，使其達(dá)到1000 W/m2的光強(qiáng)，進(jìn)而在這一條件下測試批量化的電池片或電池組件。

由于標(biāo)準(zhǔn)太陽電池量值的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到被測電池或組件最大功率的確定，因此在制作標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)的選材、工藝、封裝及測試各個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的設(shè)計(jì)制作過程，因該電池增加了溫控及真空密封等功能，故較之國外產(chǎn)品其穩(wěn)定性好，可靠性高。

1 功能及實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池通常包括封裝外殼、太陽電池、溫度傳感器和保護(hù)窗口。其中太陽電池類型、溫度傳感器類型以及保護(hù)窗口的材料都是可以選擇的。主要目的都是為了確保太陽電池的壽命及穩(wěn)定性。

基本設(shè)計(jì)方案：標(biāo)準(zhǔn)太陽電池采用2 cm×2 cm、四角均為90°的單體太陽電池，經(jīng)過老化篩選，選擇穩(wěn)定性好、表面均勻的進(jìn)行全密封式封裝。太陽電池置于方形鋁基座的中心，并配有一個(gè)抗輻照玻璃保護(hù)窗口，窗口的封裝采用透明性好、折射系數(shù)與玻璃相近的光敏膠。太陽電池pn結(jié)下方裝有溫度傳感器。太陽電池和測溫傳感器均采用四線輸出（圖1）。

圖1 單體太陽電池封裝示意圖

1.1 電池片的老化及篩選

由于多晶硅表面的不均勻性，使得標(biāo)準(zhǔn)太陽電池多采用單晶硅太陽電池。首先選擇表面顏色均勻一致、無隱裂劃傷的電池片，沿兩條主柵線方向從背面進(jìn)行切割，調(diào)整激光劃片機(jī)功率以免擊穿電極，將電池片切割成2 cm×2 cm的尺寸(不包括主柵線寬度)。然后將切割好的樣品置于輻照度為1000±50 W/m2的ELH鹵素?zé)粝拢B續(xù)照射20 h后在室內(nèi)存放4 h為一周期，共試驗(yàn)三個(gè)周期。之后測試電池片的I-V特性，選擇填充因子FF大于0.70的電池片用四線開爾文連接方式焊接，導(dǎo)線選擇極細(xì)的耐高溫線，焊接時(shí)注意不要污染電池片的受光面，焊點(diǎn)要小且牢固。

1.2 玻璃保護(hù)窗口的選用

單晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)范圍一般為(300-1100)nm，因此要選用在該波段范圍內(nèi)透過率都較高且較為平坦的玻璃材料作為保護(hù)窗口，才能不影響太陽電池的光譜選擇性。另外由于電池片本身面積較小，限制了玻璃窗口的厚度。這里選用1 mm厚的空間抗輻照玻璃蓋片，其透過率在(400-1100)nm波段內(nèi)均大于91%，如圖2所示。

圖2 空間抗輻照玻璃蓋片透過率曲線

由于薄膜電池的響應(yīng)時(shí)間長，光致衰減現(xiàn)象明顯，使其不適合作為標(biāo)準(zhǔn)器件進(jìn)行量子傳遞。而不同類型電池相互標(biāo)定時(shí)，由于光譜響應(yīng)度不同，導(dǎo)致光譜失配問題嚴(yán)重，因此研制一種性能穩(wěn)定的模擬非晶硅電池成為必要。薄膜電池的光譜響應(yīng)主要集中在可見波段，峰值波長在500 nm左右，選用如圖3所示的青藍(lán)色玻璃作為濾光片配合單晶硅太陽電池，即可模擬薄膜電池的輸出曲線。

圖3 青藍(lán)色玻璃透過率曲線

1.3 溫度傳感器及控溫設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用一級(jí)Pt100鉑電阻，由四線Kelvin連接方式進(jìn)行焊接，用絕緣導(dǎo)熱硅膠將其附著在太陽電池背后。封裝外殼整體采用陽極電鍍鋁材料，內(nèi)部設(shè)計(jì)有密閉多路循環(huán)水槽基座，基座緊貼測溫傳感器，因此可以快速測溫控溫?；羞M(jìn)出兩個(gè)水嘴可以連接到恒溫水槽。

1.4 電池片的封裝

選擇網(wǎng)紋EVA和黑色啞光面PET作為封裝材料。首先將其裁剪成規(guī)定大小，按照組件的封裝方式進(jìn)行鋪設(shè)，即玻璃—EVA—電池片—EVA—PET，然后放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行層壓，待EVA固化后將其取出。電池片和溫度傳感器的輸出端均采用四芯航空插頭引出（圖4）。

圖4 單晶硅、模擬非晶硅太陽電池成品圖

2 使用方法

將太陽電池水平放置在太陽模擬器下，進(jìn)出端的水嘴分別接到恒溫水箱上，調(diào)整其設(shè)定溫度，使水溫恒定在25±1℃。將溫度傳感器的信號(hào)輸出端連接到熱敏電阻測溫儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽電池的溫度變化來調(diào)整水箱的溫度。如果測試光源為瞬態(tài)太陽模擬器，則不需要水冷控溫。將太陽電池的信號(hào)輸出端接入I-V曲線測試儀或電流計(jì)，開啟模擬器并調(diào)整其輻照度輸出，記錄太陽電池的短路電流變化。當(dāng)太陽電池的短路電流達(dá)到其標(biāo)稱的短路電流值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)太陽模擬器輸出為1000 W/m2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

太陽電池的計(jì)量項(xiàng)目通常包括兩方面：光譜響應(yīng)度測試和I-V特性曲線的測量，由此可以計(jì)算出太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜條件下的短路電流和標(biāo)定值。標(biāo)準(zhǔn)測試條件為輻照度1000 W/m2，光譜采用AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，測試溫度25℃。

3.1 光譜響應(yīng)度及量子效率

太陽電池的光譜響應(yīng)度和量子效率，對(duì)分析太陽能電池的工藝問題以及研究電池片的性能有重要的參考價(jià)值（圖5、6、7）。光譜響應(yīng)度定義為在規(guī)定的波長上，太陽電池輸出的短路電流與照射到該電池表面的輻照度之比。由光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)可以推算出量子效率 η(λ)，公式：η(λ)=1240×R(λ)/λ。 (1)

圖5 太陽電池光譜響應(yīng)度測量裝置

圖6 單晶硅電池的光譜響應(yīng)及量子效率曲線

圖7 模擬非晶硅電池的光譜響應(yīng)及量子效率曲線

太陽電池的標(biāo)定值CV定義為在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流與輻照度之比。當(dāng)太陽電池的短路電流等于其標(biāo)定值時(shí)，即可認(rèn)為太陽模擬器的輻照度達(dá)到一個(gè)太陽常數(shù)，即1000 W/m2。由于沒有與標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G太陽光譜分布完全一致的光源，因此無法直接測量出太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照條件下的短路電流。但通過測量太陽電池的光譜響應(yīng)度R(λ)，將其與標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G光譜輻照度分布S(λ)相乘并積分，可以理論計(jì)算得到短路電流密度，然后乘以電池的有效受光面積即可得到短路電流：

其中Jsc— 短路電流密度，單位A/m2；

R(λ)— 光譜響應(yīng)度，單位 A/W；

S(λ)— 光譜輻照度分布，單位 W/m2/nm；

Isc— 短路電流，單位A；

A—電池有效受光面積，單位m2。

3.2 I-V特性曲線

太陽電池的典型輸出曲線如圖8、圖9，通過I-V特性曲線可以得出許多重要參數(shù)，包括開路電壓VOC、短路電流ISC、最大功率Pmax、最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流Imax和電壓Vmax、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η等。

圖8 室內(nèi)戶外太陽電池I-V特性測量裝置

圖9 太陽電池的I-V特性曲線

在太陽模擬器條件下測量電池的I-V特性時(shí)，輻照度大小可由理論計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)電池短路電流值來設(shè)定，并通過光譜失配因子M進(jìn)行修正。將標(biāo)準(zhǔn)電池放置在太陽模擬器下，保證其溫度恒定在25℃左右，測量短路電流。調(diào)整模擬器的輸出功率，當(dāng)電池短路電流達(dá)到修正后的理論短路電流值時(shí)，即可認(rèn)為模擬器的輸出為1000 W/m2。表1為兩個(gè)測試樣品在一個(gè)太陽常數(shù)下的實(shí)測I-V曲線特征值。

表1 兩類電池的I-V曲線特征值

3.3 ISC及VOC的溫度系數(shù)

首先連接太陽電池的溫控和測溫裝置，水箱溫度設(shè)置在25±1℃，然后將太陽模擬器的輻照度調(diào)整到1000 W/m2，測量太陽電池的開路電壓和短路電流。不斷將水箱溫度升溫，待溫度穩(wěn)定后依次測量開路電壓和短路電流，直至達(dá)到所需溫度范圍的最高點(diǎn)。然后用統(tǒng)計(jì)方法處理數(shù)據(jù)，畫出短路電流及開路電壓的溫度曲線。在所需溫度范圍的中點(diǎn)求出兩條曲線的斜率，即為短路電流溫度系數(shù)α和開路電壓溫度系數(shù)β。圖10、圖11為兩個(gè)測試樣品的實(shí)測溫度曲線。由圖中可以看出短路電流隨溫度變化不大，而開路電壓隨溫度升高線性下降。小范圍內(nèi)溫度的浮動(dòng)對(duì)兩個(gè)參數(shù)影響都不明顯。

圖10 單晶硅太陽電池的溫度系數(shù)曲線

圖11 模擬非晶硅太陽電池的溫度系數(shù)曲線

[1]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 6495-1996[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[2]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 11009-1989[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[3]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 11011-1989[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[4]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 6497-1986[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[5]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 6492-1986[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[6]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 6494-1986[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[7]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 6496-1986[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.