5-晶体硅一级标准太阳电池的研制

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（所属主题 A 晶体硅材料及电池 ）晶体硅一级标准晶体硅一级标准太阳 太阳太阳电池的研制 电池的研制电池的研制 刘海涛刘海涛， ， 桑识宇桑识宇， ， 邹新京邹新京， ， 翟永辉翟永辉 中国科学院电工研究所 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室 100190 摘要摘要 标准光伏电池标定值的准确性与稳定性直接影响着光伏器件的测量结果。针对光伏电池国际比对所使用的一级标准光伏电池， 本文着重对电池的试样筛选、 材料封装、 电极引线、 温度引线和保护窗口等进行了分析与讨论。 通过不同制作环节的实验方法与要求， 对一级晶体硅标准光伏电池的制作进行了定义； 提出了一级标准光伏电池在封装前与封装后的不同试验流程， 并对封装后的电参数测量、温度特性和光照稳定性等试验方法进行了详细阐述。关键词关键词 标准电池；标定；光谱响应；光谱辐照度1 引言引言引言 在光伏电池或组件的性能分析测试过程中，标准光伏电池是校准人工模拟光源或自然阳光的辐照度的主要光伏器件。通过标准电池的输出参数确定被测光伏器件是否处于标准测试条件或所需的报告条件，进而计算出被测光伏器件的光电转换效率等参数。因此，在光伏器件 I-V 特性测量活动中，标准光伏电池及其量值的稳定性与准确性直接影响着光伏器件的测量结果。标准光伏电池根据其使用环境与用途一般划分为一级标准电池、二级标准电池和工作级标准电池。一级标准光伏电池用于参与光伏电池国际比对的校准实验；二级标准电池和工作级标准电池的量值依次从上一级标准传递获得。其中，作为实验室国际比对测试所用的一级标准光伏电池与光伏企业使用的标准电池在样品筛选、材料封装、电极引线、温度引线和保护窗口等具有不同的技术要求与性能指标。一级标准电池的制作也包括了对其标定值的赋值过程，一般可采用室外自然阳光直射辐照度或总辐照度标定方法、太阳模拟器室内标定方法，分别通过绝对辐射计或光谱辐照度标准灯对一级标准光伏电池进行标定，进而将量值传递至二级和工作级标准光伏电池 [1,3] 。 本文针对一级标准光伏电池的制作要求与电池封装前后的试验流程及方法，通过 I-V 特性、温度特性、材料耐久性测量等方法，逐步测试电池样品的稳定性，最终形成符合国际标准要求的一级标准电池样品。 i2 电池样品选择电池样品选择 作为一级标准电池样品，一般应满足以下条件■ 符合 IEC 60904-2 标准的要求 [2] ■ 外壳高度 17 mm. ■ 20 20mm 单晶硅区熔电池■ 固定孔标准尺寸■ EVA 封装■ 窗口平滑 . ■ 温度传感线 铂电阻和热电偶 . ■ 电池与外壳绝缘 . ■ 内外表面发黑处理■ 标识清晰具有耐久性下图为世界光伏基准建议的标准电池尺寸要求 [4] 图 1 一级标准光伏电池基本尺寸要求同时，标准光伏电池还应满足以下附加要求A 温度传感器标准电池应带有一个或两个温度传感器，铂电阻温度传感器或热电偶型温度传感器，分别位于电池片上下表面的位置。 B）电池上表面窗口 标准电池的上表面的窗口设计对入射光谱的透过率提出了较高要求。一般情况下，在晶体硅光伏电池光谱响应的波长范围（ 280nm1200nm）内应具有高透过率和低反射率；另一方面，为减少标准电池在光照条件下的温升效应，窗口材料的选择应对大于波长 1200nm的红外线入射光有较高的反射率或较低的的透过率；对于阳光光谱的紫外线波长部分（ 280nm400nm） ，窗口材料应具有紫外线耐候性能且其透过率不产生衰减或衰减较小。在选择窗口材料时，还应特别注意材料的气密性和水密性、对有害化学气体液体和风沙的防侵蚀性、材料的硬度机械强度等。目前，窗口材料的选择一般为石英盖片及耐紫外辐射的滤光片材料。窗口材料的厚度一般应不小于 2mm。窗口材料应与下表面的平行度在 0.1mm或 0.25 之内。C 电池的封装材料 标准电池的封装材料一般采用柯伐合金 （镍 28， 钴18，铁 54） 。柯伐合金在现代电子工业中被大量用于半导体器件。对柯伐合金材料的研究结果表明，该材料的物理特性在数年的使用期间内能够保持稳定，材料的完整性和粘着性受紫外线辐射与外界环境条件的影响较小。柯伐合金的折射率与窗口材料的折射率相匹配（一般在 10以内） ，从而使得当入射光的入射角度较大时，能使电池内部材料的反射导致的测量偏差尽可能降低。D 电池的边缘接触处理 无论一级标准光伏电池的使用环境是在人工模拟阳光还是在自然阳光照射条件，标准电池的窗口与电池之间的空间应采用稳定而透明的封装材料进行填充。标准电池片与窗口材料之间应没有空气。 3 试验流程试验流程 一级标准光伏电池样品的试验验证可分为电池封装前试验与封装后试验两个环节。标准电池封装前所进行的试验如图 2 所示。标准光伏电池样品在高低温循环试验与光老炼试验前后分别测量电池片的I-V 特性， 从中选择出填充因子较为稳定的样品。 其中，各国家的光伏实验室在高低温循环试验的极限温度选择与循环次数与严酷度等级略有不同；光老炼试验可在室外自然阳光条件或太阳模拟器照射条件下进行，一般各实验室会根据标准电池样品的材料特性采用不同的辐照量等级。 图 2 标准光伏电池封装前实验流程 标准光伏电池在封装后的试验流程如图 3所示。它与电池片封装前的试验区别在于，标准电池封装后将作为一个最终的器件多次使用在室外或室内条件，因此试验流程不仅应包括对封装工艺的验证，同时更关注电池片的封装过程对电参数输出的影响。因此有必要分别对各试验环节分别阐述如下3.1 物理特性和尺寸检查 物理特性和尺寸检查物理特性和尺寸检查 检查标准电池的物理特性和尺寸要求，例如，标准电池上表面与外壳封装玻璃的间距。封装外壳几何尺寸、开口角等参数。考虑到这些要求应在电池封装前必须提出并确定，因此物理特性和尺寸检查可在电池的制作及封装单位进行。3.2 外观缺陷检查 外观缺陷检查外观缺陷检查 标准电池封装之后，进行外观缺陷检查，重点样品外观检查光照下的 I-V 特性高低温循环实验光老炼实验样品外观检查光照下的 I-V 特性样品外观检查光照下的 I-V 特性检查材料有无内反射，封装过程中可能引起的缺陷，如气泡、脱层、标识不清晰等。一般情况下，气泡和脱层缺陷最为关键，但也应注意其他外观缺陷也会对电池在将来的使用中造成潜在影响。因此，所有外观缺陷都应做详细的记录，同时，在后续的光老炼试验后应重复外观缺陷检查。3.3 光照条件下的 光照条件下的光照条件下的I I - V特性测试特性测试 如图 1所示，在光老炼试验前后需要对标准电池进行 I-V特性测试。尽管该项测试需要在标准测试条件下进行，但测试目的不是确定其电参数绝对值的准确性，而是确定 I-V曲线的在短路电流点附近的斜率是否符合较好的并联电阻及填充因子的有关要求。因此，此项试验只需保证入射光辐照度恒定，电池温度恒定即可。同时测量的开路电压值也是后续标准电池进行暗 I-V特性测量时必须用到的参数。3.4 瞬时光电流响应测试 瞬时光电流响应测试瞬时光电流响应测试 考虑到一级标准光伏电池不但在自然光下使用，还经常应用在太阳模拟器等室内模拟光源下，因此需要对标准电池进行瞬时光电流响应测试，评价其在高速测量和采集系统下的响应特性。该项试验采用多个脉冲型发光二极管 （ LED ） 组成的光源 （可选择波长 630-700nm 的红色发光二极管光源），由信号发生器进行快速切换控制。设定辐照度使电池产生的光电流大于 STC 条件下的 0.5 Isc ，并记录 Isc相对时间的变化情况 在 LED 光源下电池光电流上升及下降时间应小于 10ms ，电池的电压输出应小于20 mV 。3.5 暗 暗 I -V特性测试特性测试 该试验的目的是确定标准电池在后续的实验前后是否会发生电性能衰减。在无光照条件下，给电池施加反向 0.5Voc 至正向 1.1Voc 的偏置电压，测量电池的 I-V特性曲线。对于单晶硅标准光伏电池，可采用下述计算方法i 在暗特性曲线的反向偏置电压 0.4Voc 区域，计算曲线的平均斜率，确定其并联电阻ii 在暗特性曲线的正向偏置电压 Voc 区域，计算曲线的平均斜率，确定其串联电阻iii 采用线性最小二乘法拟合后，曲线从电压为 0到正向 lnI-V 的线性区域是饱和电流区域iv 按线性拟合的斜率，计算二极管品质因子。3.6 温度测量有效性试验 温度测量有效性试验温度测量有效性试验 符合一级标准光伏电池要求的样品应具备铂电阻（ RTD ）和热电偶两种测温方式。为验证两种测温探头的有效性，在无光照条件下将电池安装在温控台上，在 10℃至 50℃温度区间至少设定 5个温度点，分别测试两种测温方式的输出（ 1） RTD 输出准确度应小于 0.5℃（ 2） T型热电偶输出准确度应小于 1℃3.7 光老炼试验 光老炼试验光老炼试验 光老炼试验的目的是使电池经受初期的光致衰减，并验证电池的电极各接触部分良好。硅太阳电池在初期几小时内照射下， Isc一般会出现 12 的衰减。 将标准电池样品置于 850 W/m 2 的人工光源或自然光照射条件下 , 无温控照射 24 h. 在此期间内 1 电池每隔 4h在 STC 条件下测量 Imp, Vmp ，并记录最大功率点电压与电流相对时间的变化情况2 无电流或电压断路状况3 电池两端加 5 的阻性负载3.8 光照稳定性测试 光照稳定性测试光照稳定性测试 光照稳定性测试可剔除具有较长时间常数 I-V特性的电池样品。在光照条件下，分别在电池开路和短路时测量电流随时间的变化曲线。电池的输出电流值测量时间间隔 50 ms 。 光源的光谱分布不要求与自然阳光光谱拟合，为使辐照度稳定，可采用钨灯作为光源代替氙灯。在开路和短路条件变化后，电流输出应在 100ms 内达到稳定。步骤 条件 辐照度 时间 记录参数 1 短路 无光照 8h 无 2 短路 无光照 5min 电流 3 短路 1000 W/m2 1min 电流 4 开路 1000 W/m2 1min 电流 5 短路 1000 W/m2 1min 电流 表 1 光照稳定性测试程序图 3 标准光伏电池封装后实验流程 4 结语结语 晶体硅一级标准光伏电池的研制包含了电气性能测试、 温度特性测试、 耐久性测试等试验项目。其中， 标准光伏电池样品在封装前与封装后都会进行多次的 I-V 特性测量， 以验证电池样品的电输出特性的衰减及变化情况。 目前大多数实验室都采用太阳模拟器作为人工模拟光源， 因此实验室在对标准电池样品进行 I-V 特性测量过程中， 应特别注意光源的稳定性、 辐照均匀性及测量单元的测试可重复性。 还应注意， 上述实验方法是指在尽可能合理的时间和试验成本条件下对一级标准光伏电池进行物理特性和电气特性的验证与评价， 并不能保证一级标准光伏电池的制作工艺常年稳定可靠。因此， 实验室应对一级标准光伏电池进行有效的保护并规范使用，同时应定期跟踪其标定值的变化情况。 5 参考文献[1] IEC 60904-4 Ed.1.0, Photovoltaic devices- Part 4 Reference solar devices-Procedures for establishing calibration traceability[S]. 2009. [2] IEC 60904-2 Ed.2.0, Photovoltaic devices - Part 2 Requirements for reference solar devices[S]. 2007. [3] ASTM E1125-10, Standard Test Method for Calibration of Primary Non-Concentrator Terrestrial Photovoltaic Reference Cells Using a Tabular Spectrum, American Society for Testing Materials[S]. 2010. [4] C.R. Osterwald, K.A. Emery, D.R. Myers, and R.E. Hart. Primary Reference Cell Calibrations at SERI History and Methods[C]. Proceedings 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1990 1062-1067. i项目来源本研究工作由中国科学院知识创新工程重要方向项目（ KGCXZ-YW-325）提供支持。 外观检查光照下的 I-V 特性瞬时光电流测试光照稳定性实验暗电流测试光老炼外观检查光照下的 I-V 特性温度测量有效性 暗电流测试温度测量有效性