電池片電參數(shù)測試機(jī)構(gòu)的研究

朱林濤，馬鵬飛，張迎春，李國林

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

太陽能(Solar)是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量，是各種再生能源中最重要的基本能源，也是人類可以利用的最豐富能源，太陽每年照射到地面的能量大約為全世界1年能耗的1萬多倍，可以說是“取之不盡，用之不竭”的能源。太陽能光伏是利用太陽能電池片直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，電池片有兩層半導(dǎo)體，一層是正極，一層是負(fù)極，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，兩極交界處產(chǎn)生電流，且光強(qiáng)越強(qiáng)，電流越大。太陽能電池片組成的光伏組件系統(tǒng)可以在任何地方快速安裝，并且沒有任何污染，使用壽命長，這些優(yōu)點(diǎn)使得太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。

在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中，電池片轉(zhuǎn)換效率的高低成為了評估電池片好壞的重要因素，目前理論的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24%，但是在工業(yè)產(chǎn)業(yè)中，只有15%，單晶硅電池片的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)19%左右。

我所研制的全自動測試分選線是太陽能電池片生產(chǎn)工藝的一種專用設(shè)備，它主要用于太陽能電池片生產(chǎn)過程中通過模擬太陽光譜光源，對電池片的相關(guān)電參數(shù)進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果將電池片進(jìn)行分類，專門用于太陽能單晶硅和多晶硅電池片的分選篩選。

本文將探討在該太陽能電池片測試分選機(jī)中，測試機(jī)構(gòu)組成，測試原理，以及對影響電池片轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行分析，如何能在現(xiàn)有的電池片加工工藝基礎(chǔ)上，減少由于測試機(jī)構(gòu)本身的因素對電池片轉(zhuǎn)換效率的影響，以便于能更精準(zhǔn)測量相關(guān)電參數(shù)，準(zhǔn)確地對電池片進(jìn)行分檔。

1 測試機(jī)構(gòu)的組成

測試機(jī)構(gòu)即測試探針臺的組成：由上探針組件，下探針組件，直線電機(jī)，保護(hù)氣缸，減壓閥等。

1.1 上探針組件

上探針組件平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由固定架，匯流排，夾塊，刻線標(biāo)牌等組成。

圖1 上探針組件平面結(jié)構(gòu)

根據(jù)太陽能電池片規(guī)格對應(yīng)地調(diào)整上探針組件：通過移動夾塊，夾塊帶動上探針組件可方便于導(dǎo)向型材中移動來固定探針架的位置，調(diào)整到位后，鎖緊夾塊中的緊固螺釘，使得探針排在測試過程中下落時(shí)匯流排與電池片的主柵極線對正接觸。

1.2 下探針組件

下探針組件平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由浮臺，固定架，匯流排，監(jiān)控片組成。

圖2 下探針組件平面結(jié)構(gòu)

根據(jù)電池片規(guī)格相應(yīng)地調(diào)整下探針匯流排，調(diào)整到位后，鎖緊夾塊中的緊固螺釘，使得探針排在測試過程中探針正好位于電池片背面的主柵極上。同時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)整螺釘，使得監(jiān)控片的上平面與電池片上平面等高。其中機(jī)械定位裝置用于保證前后的兩個(gè)浮臺上平面等高，避免在探針下壓過程中由于電池片傾斜而被壓裂。

1.3 保護(hù)氣缸與減壓閥

通過調(diào)節(jié)減壓閥，來控制保護(hù)氣缸平衡力的大小，減輕運(yùn)動電機(jī)的負(fù)載大小，同時(shí)也影響在上探針排運(yùn)動到電池片表面，換成壓力模式時(shí)的壓力大小，使得探針排對電池片既能有足夠的壓力，又不至于因壓力過大而導(dǎo)致電池片的隱裂，從而保證測試精度。

太陽光模擬器是模擬太陽光，垂直照射待測電池片。

電子負(fù)載：連接電池片，標(biāo)準(zhǔn)電池片（監(jiān)控片）以及溫度傳感器探頭，以此獲取待測電池片的電壓，電流數(shù)據(jù)。通過標(biāo)準(zhǔn)電池片獲取光強(qiáng)信息，通過溫度傳感器獲取測試環(huán)境的溫度。

2 測試機(jī)構(gòu)工作流程

太陽能電池片經(jīng)過傳輸裝置(傳輸導(dǎo)軌)傳至測試臺工作位，預(yù)對準(zhǔn)電機(jī)運(yùn)動一定的位移量來夾緊電池片，使得電池片的主柵極與測試探針排對齊，然后對夾電機(jī)運(yùn)動至初始位，松開電池片；測試臺上探針組件在直線電機(jī)的控制下以位置模式運(yùn)動至電池片表面，再換成壓力模式繼續(xù)向下運(yùn)動，上探針組件的長定位螺釘壓浮臺，使得電池片懸空，探針壓縮至50%至70%（見圖3）。

圖3 工作流程

表征太陽能電池片性能的參數(shù)：

開路電壓Uoc：在某特定的溫度和光強(qiáng)下，光伏發(fā)電器在開路狀態(tài)下的端電壓；

短路電流Isc：在某特定的溫度和光強(qiáng)下，光伏發(fā)電器在短路狀態(tài)下的輸出電流；

最大功率點(diǎn)Pmpp點(diǎn)：IV曲線上對應(yīng)最大功率的點(diǎn)；

轉(zhuǎn)換效率N：受到光照的太陽電池片的最大功率與入射到該電池片上的全部輻射功率的百分比，它是評估電池片好壞的重要因素；

填充因子FF：太陽電池片的最大功率與開路電壓、短路電流乘積之比，它是表征電池片性能優(yōu)劣的重要參數(shù)；

串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻。

3 簡述電池片電參數(shù)測量原理

兩階閃光：一次閃光持續(xù)時(shí)間為10 ms，光強(qiáng)分別為1 000 W/m2和5 00 W/m2兩個(gè)階段，這樣兩階閃光會產(chǎn)生兩條伏安曲線，如圖4所示。

通過曲線可以計(jì)算出串聯(lián)電阻，經(jīng)過負(fù)載電阻測試盒及其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以測量出Uoc，Isc，Pmpp，F(xiàn)F，N 等電性能參數(shù)，如圖5所示。

這些電參數(shù)，是判定電池片的好壞以及分檔的重要依據(jù)。

圖4 閃光階段伏安曲線測量圖

圖5 電池片電參數(shù)測量指標(biāo)

4 影響電池片性能參數(shù)測量的因素分析

4.1 光強(qiáng)

短路電流Isc與光強(qiáng)成正比，開路電壓Uoc與光強(qiáng)成對數(shù)關(guān)系。由于在測量過程中，電池片的能量來源于模擬太陽光，光強(qiáng)的穩(wěn)定與否直接會影響到測量結(jié)果。這是因?yàn)?，光?qiáng)改變，進(jìn)入電池片的光子數(shù)目發(fā)生變化，從而相應(yīng)被激發(fā)的電子數(shù)目也發(fā)生變化。而暗場環(huán)境的好壞直接影響到光照的強(qiáng)度和光譜的分布。為了獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)與均勻的光譜，模擬太陽光發(fā)光器下表面距測試臺的高度應(yīng)該保持在95 cm 以上，最佳的暗場條件是盡可能地減少因模擬太陽光的反射與散射所造成的損耗。

4.2 環(huán)境溫度

電壓的變化與電池片溫度呈線性關(guān)系，電池片溫度升高時(shí)，開路電壓Uoc減小，而短路電流Isc略微上升。為了保證電池片在傳遞至工作位時(shí)的溫度為室溫（25℃），電池片從燒結(jié)爐中傳遞至上料機(jī)，在上料機(jī)空間內(nèi)可以加2個(gè)冷卻風(fēng)扇，相對地增大上料機(jī)傳遞區(qū)域的空氣流動，以加速電池片冷卻至室溫，使得測量出來的Uoc與Isc更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

4.3 探針與電池片的接觸

電池片在測量過程中需要保持懸浮，探針垂直于電池片表面。如果探針的壓縮量過小，它與電池片的接觸不夠理想，會使探針架和導(dǎo)線內(nèi)部的接觸電阻變的過大而無法補(bǔ)償，反映在曲線上就是短路電壓處出現(xiàn)缺口，如圖6所示。

圖6 探針接觸不良所實(shí)測的IV曲線

5 測試過程中的問題及分析

（1）在測量的曲線上，發(fā)現(xiàn)在最大功率點(diǎn)后的U-I曲線出現(xiàn)振蕩而不是平滑的曲線，說明上下匯流排的探針接觸有問題，一方面查看上下探針的收縮量是否達(dá)到70%，另一方面也有可能是探針并沒有與電池片的主柵極線正對，這時(shí)需要重新調(diào)整匯流排的位置。經(jīng)過多次測量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用方波形的銅條代替下探針的匯流排，能夠保證完好的接觸和理想的探針壓縮量，曲線變得平滑；

（2）開路電壓Uoc的測量結(jié)果偏差比較大，由于影響它的因素主要是環(huán)境溫度和電池片本身的溫度，理想的環(huán)境溫度是25℃，當(dāng)試驗(yàn)溫度超過或低于25℃，可以通過對溫度的補(bǔ)償，來消除這種因溫度原因而造成的Uoc偏差；

（3）短路電流Isc的測量結(jié)果偏差比較大，在多次測量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池片隱裂的時(shí)候，會出現(xiàn)Isc偏差較大；每次曝光時(shí)的光強(qiáng)不同，Isc也會有較大的偏差，為了消除這種偏差，一方面要調(diào)整輸出壓力，使探針在壓縮電池片過程中不會因壓力過大造成電池片隱裂，另一方面要調(diào)整好光強(qiáng)，使得每次曝光的光強(qiáng)穩(wěn)定，光譜均勻；

（4）在多次對同一片電池片進(jìn)行測量時(shí)，測量的結(jié)果有一定的偏差，變化最大的填充因子，為了既保證測量的重復(fù)度，同時(shí)又不至于損壞電池片，在保證環(huán)境溫度，光照強(qiáng)度的前提下，單片電池片的測量次數(shù)不宜過多。

（5）由于電池片本身，上下探針組架以及暗場四壁等的反射與散射，會造成分布在電池片上的太陽光損耗，使得在測試過程中，實(shí)際檢測到的光強(qiáng)達(dá)不到1 000 W/m2，造成測量數(shù)據(jù)的偏差。在實(shí)驗(yàn)對比中發(fā)現(xiàn)，在暗場中布置黑幕能夠有效地減少因電池片傳送裝置、暗場四壁、電池片本身等環(huán)境因素造成的太陽光的反射與散射，進(jìn)而保證了測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。

6 結(jié)束語

太陽能電池片測試分選機(jī)包括上料機(jī)、測試機(jī)和分選機(jī)，整條線完成了對電池片電性能參數(shù)的測量與分檔，是光伏產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。我所生產(chǎn)的全自動太陽能電池片測試分選機(jī)，傳輸機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，碎片率很低，測試機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，測量精準(zhǔn)度高，每小時(shí)可以完成對1 500 片電池片的測試與分選，大大地提高了生產(chǎn)效率。

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