天合-具有电容的太阳能电池电流-电压特性测量要求

能源改变生活，标准锻造品质 光伏电池、硅片及相关辅材 ◼ 具有 电容的太阳能电池电流 -电压特性测量 要求 Requirements of current-voltage characteristics measurement for solar cell with capacity 陈奕峰 天合光能股份有限公司 2018年 09月 05日 目的和意义 提案内容论述 实施途径和进度安排 总结 目的和意义 提案内容论述 实施途径和进度安排 总结 背景介绍 [1] D. L. King et al., in Proc. 20th IEEE PVSC, 1988, pp. 555 – 559. [2] S. Winter et al., PTB report PTB-Opt-56 1998.  FF与电压扫描速率和扫描方向有关 [1] ❑ 1998年 Winter等人提出了早期的修 正方法 [2] ❑ 然而，传统背电场电池的电容很小， 在现行的 IEC 60904-1中没有关于电 容效应的明确定义。 电池的电容 相比现在的标准产线， 在 未来的 2-3年内，产线的 PERC电池将会 有高达 20倍的电容 电容效应 180 μm厚的太阳能电池，不同掺杂类型和掺杂浓度的 dQ/dVj曲线 [1] 更高效电池，更长脉冲测试 [1] ❑ 太阳能电池时间响应依赖于 – 衬底掺杂 – 硅片厚度 – 最大功率点电压 ❑ PERC电池的时间响应比 Al-BSF电池的时间响应 慢 20倍 ❑ N型电池 IBC, HIT的时间响应比 Al-BSF电池的 时间响应慢 200倍，更加需要新的测试仪 ❑ 非常高效的电池，需要高达 s级的长脉宽 ❑ 本工作的动机 如何评估电容效应造成的测 量误差如何抑制电容效应的影响 现有方法 厂商 方法 特点 PASAN Dragonback 通过自定义的电压曲线来重建准稳态 IV T V Dynamic IV 足够的时间来测量每个单独的 IV数据点 H.A.L.M. Advanced Hysteresis 通过匹配二极管模型、外部电阻、外部电感以及 电压相关的外部电容 Sinton Multiflash 自我验证精确度 Burger 未知 未知 SPIRE Single Long Pulse 100-200ms长脉冲， 良好的光谱匹配 [1] A. Virtuani et al., Meas. Sci. Technol. 23 2012 115604 8pp [2] C. Monokroussos et al., EU PVSEC 2016 [3] K. Ramspeck et al., EU PVSEC 2016 [4] R. Sinton, submitted to JPV, 2017 [5] Eternal Sun Group_2016_White paper Dragonback from PASAN 本提案不会深入研究每种方法的细节 提案的目的是建立一种“通用语言”，使得测量误差和结果可以进行比较 Advanced Hysteresis from H.A.L.M. Dynamic IV from T V Multiflash from Sinton 目的和意义 提案内容论述 实施途径和进度安排 总结 1. 范围 IEC 60904的这部分内容 给 出了在自然或模拟太阳光下具有本征电容 效应的太阳能电池的电流 -电压（ I-V）特性的测量要求。主要建立起对 于 I-V测量过程中电压和电流变化导致的充电或放电作用的定义，对内在 电容效应对 I-V测试的影响进行定量化描述，并且提供一个标准化的基础 来评估和指导如何抑制太阳能电池电容效应的影响。同时，本标准也提 供可降低电容效应对测试干扰的可行性方法介绍。 2. 该领域国内外标准体系现状 目前关于太阳电池 I-V测试的标准已经相当完善，本标准仅需要在目前的标准体系中，增加对高容性电池 的测试要求 。国际 上最主要的光伏测试标准是国际电工委员会的 IEC系列标准，大部分国家的本国标准也 是由 IEC标准借鉴而来 。 主要 国际标准如下 IEC 60891, Photovoltaic devices – Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I-V characteristics /光伏器件 -测量 I-V特性的温度和辐照度校正程序 IEC 60904-1, Photovoltaic devices – Part 1 Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics /光电器件 -第 1部分 光伏 电流 -电压特性的测量 IEC 60904-2, Photovoltaic devices – Part 2 Requirements for reference solar devices /光伏器件 -第 2-部分 参考太阳能器件的要 求 IEC 60904-3, Photovoltaic devices – Part 3 Measurement principles for terrestrial photovoltaic PV solar devices with reference spectral irradiance data /光伏器件 -第 3部分 地面用光伏器件的测量原理及标准光谱福照度数据 IEC 60904-4, Photovoltaic devices – Part 4 Reference solar devices - Procedures for establishing calibration traceability /光伏器件 - 第 4部分 参考太阳能器件 -建立校准溯源程序 IEC 60904-7, Photovoltaic devices – Part 7 Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices /光伏器件 -第 7部分 光伏器件测量用光谱失配修正的计算 IEC 60904-8, Photovoltaic devices – Part 8 Measurement of spectral responsivity of a photovoltaic PV device /光伏器件 -第 8部分 光伏器件光谱响应的测量 IEC 60904-9, Photovoltaic devices – Part 9 Solar simulator performance requirements /光伏器件第 9部分 太阳模拟器性能要求 IEC 61836, Solar photovoltaic energy systems – Terms, definitions and symbols / 太阳能光伏能源系统 -术语，定义和符号 3. 条款和定义 电容效应 改变 太阳电池的外加电压或所传送的电压会导致电池基体中过剩电荷载流子密度的变化。对于太阳电池外加 电压的任何改变都可以观察到由内部电荷载流子密度的变化所导致的充电或放电电流，其中，充电或放电就 像电容一样，是由电压变化方向决定 。 电容效应导致的电流 由于 电池表现得像一个电容，所以测量到的电流会被影响。测量得到的电流是真实电流和充电或放电电流的 总和。电容效应引入的误差可定义为在某个电压下充电或者放电电流和真实电流的比值 。测量 时，如果没有 充电或者放电现象，该误差可以是零，这就是在电池电压无限缓慢变化时的情况。 扫描速率和扫描方向 测量的器件或太阳电池的外加电压的变化速率被称为扫描速率。值得注意的是，在文档中也可以交替使用 “缓变率”这个词。用正扫描速率进行的 IV测量被称为正向或直接扫描（从 0 V 到 Voc方向），负扫描速率进 行的 IV测量被称为反向或后向扫描。 时间延迟 τ 时间延迟 τ表示电压变化和电流测量之间的时间间隔。在测量中，时间延迟应该足够大，充电和放电电流才 可以忽略不计 。 4. 总论 近 几十年来，传统光伏器件的转换效率迅猛提升。由于太阳电池工作在高注入 水平条件下，高效光伏器件的时间响应对 IV测试提出了挑战。测试电流会受到电容 效应的影响，从而引入测试误差。例如，太阳电池和组件的填充因子在电压扫描方 向是 Isc-Voc时会被低估，而在电压扫描方向是 Isc-Voc时会被高估。这个误差会随着电压 扫描时间的缩短和光伏器件性能的提升而变大。当光伏产品的性能提高到一定程度， 这个误差会变得不可忽视。随着电容效应被光伏行业所熟知，一些技术已经被研发 出来以减少测试误差。本工作的主要目的是为这项测试不确定度提供评判标准 。 该 标准将适用于各种测量技术和不同的 PV设备。 5. 要求 5.1 充电和放电电流 在每个结电压下，测量的电流密度 𝐽𝑚𝑒𝑎可以定义 为 其中 J𝑚𝑒𝑎是某电压下测得的电流密度。 𝐽𝑟𝑒𝑎𝑙 是在相同电压下，光伏器件中的电荷载流子浓度恒定时，即在稳态条件下 光伏器件应当输出的电流密度。 𝑑𝑄 𝑑𝑡是指由于电压变化引起光伏器件中过剩电荷载流子密度的变化而导致的充电 或放电电流密度 。 𝐽𝑚𝑒𝑎 𝐽𝑟𝑒𝑎𝑙 − 𝑑𝑄𝑑𝑡 1 5.2 对 I-V测量的影响 𝑑𝑄 𝑑𝑡项就是由于电容导致的电流，测得的电流密度的相对误差可以表达 为 其中 𝑒𝑟𝑟𝑐𝑎𝑝是由于电容引入的测量误差，以百分比的格式表达。 公式 1和公式 2是指光伏器件在光照下的电流密度测量，不考虑光源是自然太阳光，稳态 模拟太阳光还是脉冲式模拟太阳光。它们同样适用于光伏器件在黑暗中注入电流时的电流 密度测量。 最小化这个误差的最好方法是验证当数据被报告时， dV/dt和 dJ/dt已经趋于 0。 注意电容性误差与测量方法和太阳电池技术有关。电压扫描速率、扫描方向（正向或反向）和每个测量点的稳定 时间都可能影响测量。太阳电池电容受电池厚度、能量带隙、掺杂密度和电池串联电阻等技术因素的影响。 𝑒𝑟𝑟𝑐𝑎𝑝 100 𝑑𝑄𝑑𝑡 /𝐽𝑟𝑒𝑎𝑙 2 5.3 开路电压 测量 开路电压时，电容效应也同样引入了误差。通常情况下，可以通过在两个不同 的时间间隔 τ内保持电压恒定并验证测量结果是否相同，来验证测量误差。如果在 τ和 2τ 的时间内电压变化了 ∆V，那么可以估算出误差小于 ∆V。 或者 可以在准稳态条件下测量开路电压。如果开路电压在正向扫描和反向扫描时相 等，就是实验验证了电容效应带来的误差可忽略不计。 6. 抑制测量误差的方法 6.1 稳态条件下的测量 稳态条件是指衬底中的电荷载流子浓度在某个电压下保持恒定。一种实现稳态条件的天然方 法是加载电压后等待足够长的时间 τ，直到充电或放电电流密度，也就是 dQ/dt变得任意小， 接近于 0。在每个电压点下，在电池达到稳态条件以后再进行电流密度测量。稳态定义为 dV/dt以及 dJ/dt都等于零的点，但实际上永远无法达到这种条件。 6.2 准稳态条件下的测量 对于给定的光伏器件，达到完全稳态的条件需要的时间 τ可能非常长，可以在达到准稳态条 件需要的时间 𝜏quasi时就进行测量。在准稳态条件下，使用附件 A中的公式 3和 4计算的充 电或者放电电流密度 dQ/dt可以忽略不计。剩余误差可以从方程 1-5中计算出来并在第 7 节的报告中给出。 6.3 常规方法 几种 常用的光伏器件表征方法，如长脉冲太阳光模拟器、多次闪光法和自然太阳光等提供 的稳态条件，可以减少电容误差。在本节中，我们将对可用于减少任何瞬时误差的测量过程 给出实际的建议。 具有线性扫描速率的分段（多次闪光） IV测量法 测量分为多个阶段。在每个阶段模拟 器都单独闪光，并且在固定的电压点处或电压变化范围很小时测量电流密度。通过对每 一阶段测得的数据进行梳理，得到完整的 IV特性。如果每一阶段电压都变化得足够慢， 差异不受变化速率和扫描方向的影响，那么在规定的不确定性范围内测量结果是精确的 （第 7节）。 单次长脉冲或具有线性扫描速率的室外测量法 当室外测量或者光脉冲足够长时，电压 扫描可以在单次光脉冲时间内完成，同时保持每个电压值恒定直到电流密度足够稳定。 外加电压不同，电流密度稳定所需要的时间也不同，因此不同类型的光伏产品需要设置 不同的电压扫描曲线。如果每一阶段的电压变化速率足够慢，差异不受变化速率和扫描 方向的影响，那么在规定的不确定性范围内测试结果是精确的（第 7节）。 迟滞测量和修正 模拟器内置了一种模拟衬底的类电容行为的模型，用来修正 IV曲线 的测量误差。通过比较不同电压扫描方向下测得的 IV曲线来确定该模型的参数。与多 次闪光法的比较通常用于确定精确度 。 电压步进和修正 模拟器内置了一种对电压进行步进式调整的方法，在 dV/dt和 dJ/dt趋 于稳定后对每个数据点进行评估，评估每一步结束时报告数据点处的 dV/dt和 dJ/dt，以 证明 dV/dt和 dJ/dt可以忽略不计。剩余误差可从附件 A中的方程 3和 4计算出来。 7. 报告 根据 本规范完成测试步骤后，测试机构需要根据 ISO/IEC 17025程序准备 IV测试的认 证报告。认证或者测试报告应当包含 IEC 60904-1所要求的信息。此外如下的信息也应被 包含进去 – 在最高功率点的 𝑒𝑟𝑟𝑐𝑎𝑝 or 𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑡𝑖， 包括测得的 Vmpp和 Impp。 – 在 开路电压点的 𝑒𝑟𝑟𝑐𝑎𝑝 or 𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑡𝑖， 包括测得的 Voc。 – 建议 为用于确定 Jmpp和 Vmpp的数据点报告 dJ/dt和 dV/dt。 对 电容引入的测量误差的评估只适用于与测量所用相同的电池。以上报告的关键参 数的任何变化都需要对误差进行新的测量或计算。然而，对于具有较低电容的电池，可 以给出一个作为评估上限的参数范围。 附录 A（资料性） 𝑑𝑄 𝑑𝑡来源于太阳电池中的过剩电荷密度。在硅中，这是已知的相对简单的 模型 其中，结电压 Vj与测得的端电压关系如下 相关的变量为 NA,D是衬底的掺杂浓度（ p型中的受主或 n型中的施主） ni是本征载流子浓度（例如， 25 C时硅材料的 ni 8.3− 8.6 109 cm-3 [3,4]） q、 k和 T分别是元电荷、玻尔兹曼常数和温度 Vj、 V、 J和 Rs分别是太阳电池结电压、端电压、电流密度和串联电阻 Vj的单位归一化每片电池，例如， V/cell，通常情况下组件是由串联的电池制成，这就需要将 V和 Rs的 绝对值除以串联的电池数量 Q是单位面积的电荷量（ C ∙cm−2），是对电池厚度 w的 积分 𝑑𝑄 𝑑𝑡 𝑞 𝑘𝑇 𝑞𝑤𝑛𝑖2 exp ൗ𝑞𝑉𝑗 𝑘𝑇 𝑁𝐴,𝐷2 4𝑛𝑖2 exp ൗ𝑞𝑉𝑗 𝑘𝑇 𝑑𝑉 𝑑𝑡 𝑑𝐽 𝑑𝑡𝑅𝑠 3 𝑉𝑗 𝑉 𝐽𝑅𝑠 4 从公式 3和 4中可以看到电容误差的主要依赖项，误差线性依赖于 电压扫描速率 Τ𝑑𝑉 𝑑𝑡 电池厚度 w 这种 误差也在很大程度上取决于 最大功率点处的结电压 串联电阻 𝑅𝑠 电流密度的变化速率 Τ𝑑𝐽 𝑑𝑡 衬底掺杂浓度 𝑁𝐴,𝐷 本提案主要由 Ron Sinton, Harrison Wilterdink, Christos Monokroussos, Vahid Fakhfouri, Klaus Ramspeck, 徐冠超 , 陈奕峰 撰写。合作单位 天 合光能、晶科、隆基、 Meyer Burger PASAN、 SIMIT, CAS、 Sinton Instruments、 H.A.L.M、 SPIRE、 Berger lichttechnik、 KOPEL、 TUV Rheiland、 ISFH、 ESTI, JRC、 AIST。 参考文献 [1] R. A. Sinton, H. Wilterdink, A. L. Blum,” To be published in IEEE Journal of Photovoltaics, 2017. [2] M.J. Kerr, A. Cuevas, and R.A. Sinton, “Generalized analysis of quasi-steady-state and transient decay open circuit voltage measurements,” Journal of Applied Physics 91, 339 2002. [3] A. B. Sproul and M. A. Green, “Improved value for the silicon intrinsic carrier concentration from 275 to 375 K,” Journal of Applied Physics 70, 846 1991. [4] Altermatt et. al, “Reassessment of the intrinsic carrier density in crystalline silicon in view of band-gap narrowing” JAP, 93, 3, pp. 1598 – 1604 2003. 目的和意义 提案内容论述 实施途径和进度安排 总结 1. 实施途径 由 Christos Monokroussos T V Rheinland领导 目的 确定 在 ISO 17025认证的校准和测试机构和工业实验室之间的高 效封装太阳能电池性能表征方法的可比性，这些 实验室是根据 IEC或 ASTM等效系列 标准制定的过程 和程序。 2. 参与者 表 1. 参与机构 3. 样品要求 制造商 电池类型 样品制备 用途 样品数量 厂商 1 p-PERC 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 （ 带接线盒 ） 管理 2 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 管理 2 封装电池片 ， 正负极各焊接两根电极 循环 2 厂商 2 p-PERC 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 （ 带接线盒 ） 管理 1 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 管理 1 封装电池片 ， 正负极各焊接两根电极 循环 1 厂商 3 HJT 封装电池片 ， 正负极各焊接两根电极 管理 1循环 2 厂商 4 IBC 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 循环 2 厂商 5 HJT 封装电池片 ， 正负极各焊接一根电极 管理 1 封装电池片 ， 正负极各焊接两根电极 循环 2 表 2. 样品要求 4. 实验室要求 测量要求 根据 ICE 60904-1和 IEC 60891规定在标准条件下进行电流 -电压 I-V测试，或 者依据 ASTM E0948-16测试也可以。如果应用 ASTM E0948-16，应该在报告 中提到。 根据 IEC 60904-8进行光谱响应 SR测试（可选）。 EL测试 。 测量时间 测试时间为样品到达后 4周内。 5. 报告 测试报告中应包含以下信息 测试设备 根据 IEC 60904-1的太阳光模拟器的类型；光谱辐照度数据；太阳能电池尺寸范围的辐 照不均匀性和短时间内的稳定性。 曲线绘图仪的电子精度。 标准设备的详细信息（类型，一级或二级标准，校准来源，不确定性，溯源性）。 温度传感器，类型（ PT100， IR等），传感器数量以及传感器位置，不确定性 。 测试方法和过程 I-V扫描方向（正向或反向）。 脉冲持续时间（脉冲式模拟器），扫描持续时间和曲线。 测试过程直接线性、多次闪光线性、动态 IV、龙脊 dragonback法、高级迟滞处理方 法等 。