n型光伏组件的电性能测试技术研究_陈喜平

第 36卷 第 6期2015 年 6 月太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol. 36, No. 6Jun., 2015收稿日期 ： 2015-02-12通信作者 ：陈喜平 （ 1986— ） ，女，硕士、工程师，主要从事太阳电池及组件技术方面的研究。 xiping_chen@foxmail.com文章编号： 0254-0096（ 2015） 06-1533-06n 型光伏组件的电性能测试技术研究陈喜平 1，何 涛 1，张昌远 1，张忠卫 2，阮忠立 1，秦涛涛 1，杜军伟 1（ 1. 连云港神舟新能源有限公司，连云港 222100； 2. 上海神舟新能源发展有限公司，上海 201112）摘 要 ：针对常规瞬态 I-V测试仪 （ 脉冲时间一般为 5~20 ms） 在高效率、 高电容的 n型光伏组件测试时出现 I-V 曲线失真， 从而导致开路电压、 填充因子、 最大功率出现偏差的问题， 从电池结构和测试机理上出发， 分析产生这种偏差的原因， 提出解决该问题的关键方法。采用宽脉冲测试、 分段测试等测试方法， 对 n 型常规、 IBC 电池等 n型光伏组件进行测试， 研究不同测试方法和电池电容对 n型光伏组件测试结果的影响， 获得该类光伏组件电性能的精准测试方法， 可解决 n型高电容光伏组件的测试问题。关键词 ：光伏组件；电容效应；脉冲时间；电性能测试中图分类号 ： O475 文献标识码 ： A0 引 言在过去的 30 多年里， 瞬态 I-V 测试仪以其优异的辐照度均匀性、 较短的测试时间、 良好的温度稳定性， 一直用于光伏组件的批量生产测试。然而近年来， 由于 n 型光伏组件应用日益广泛， 特别是交叉背接触 （ IBC） 光伏组件 ［ 1］ 、 带有本征薄膜层的异质结 （ HIT） 光伏组件 ［ 2］ 的出现， 其大的电容使光伏组件在现有的短脉冲 （ 5~20 ms） 瞬态 I-V 测试时对光强变化和外路电压变化的响应时间延长， 出现 I-V 曲线凹陷 ［ 3］ 和 I-V 曲线分离 ［ 3］ 等现象， 造成测试结果偏离光伏组件的真实值。为了解决太阳电池电容效应对 I-V 测试结果的影响， 实现 n 型高电容光伏组件的精准测试， 本文从太阳电池结构和 I-V 测试原理出发， 结合现有的测试模式， 研究不同测试方法和太阳电池电容效应对 n 型光伏组件测试结果的影响，获得了 n 型高电容光伏组件的精确 I-V 测试方法。1 光伏组件 I-V 测试失真的机理及其解决方案I-V 曲线失真主要来源于高频作用下 p-n 结的电容效应。 p- n 结的结电容主要受材料的扩散长度、 掺杂浓度等影响。由于 n 型电池的少子寿命是p 型电池的数十倍甚至百倍， 这使得 n 型电池的电容大于 p 型电池电容 1~2 个数量级， 表 1 给出了不同类型太阳电池的电容等级。因此， 进行 n 型光伏组件测试时， 必须考虑电容的影响。光伏的电容包括势垒电容 （ Cj） 和扩散电容 （ Cfc） ， 图 1 为光伏的工作原理图 ［ 4］ 。表 1 不同类型太阳电池的电容等级Table 1 Capacitancelevel of different type solar cell太阳电池种类异质结电池 （ HJT/HIT）背接触电池 （ BCT/IBC）n 型常规电池p 型常规电池电容效应等级++++++-令 C = Cj + Cfc ， 由图 1 知：I = I ph - I d - I sh - I c = I ph - I d - I sh - d(CVj)/dt= I ph - I d - I sh - Cd(V+ IR s)/dt -( V+ IRs)dC/dt （ 1）Iph Id Ish Ij IfcICj CfcRPRsVj V图 1 太阳电池的工作原理图Fig. 1 Fundamental diagram of solar cell为了方便计算， 忽略串联电阻的影响和电容随测试时间即测试电压的变化， 则式 （ 1） 可简化为：I = Iph - I d - I sh - d(CVj )/dt = I ph - I d - I sh - CdV/dt （ 2）1534 太 阳 能 学 报 36卷瞬态测试时， 相当于给太阳电池两端加一个随测试时间变化的正向偏压 V， 电容随偏压的变化进行充电或放电， 从而影响测试值。采用正向测试，即从短路电流向开路电压 （ I sc- Voc） 扫描时， V 一直增大， 式 （ 2） 中的 dV/dt＞ 0， 相当于给电容器充电， 此时测试电流 I 小于实际电流， 从而引起开路电压和测试功率的减小； 采用反向测试， 即从开路电压向短路电流 （ Voc- I sc） 扫描时， V 一直减小， 式 （ 2） 中 dV/dt＜ 0，相当于给电容器放电， 此时测试电流 I 大于实际电流， 使得开路电压和测试功率大于真实值 ［ 5］ 。测试时间越短， 偏差越大， 具体测试曲线如图 2 所示。0 10 20 30 40 50012345678/A/V4 ms10 ms40 5002468/A/V图 2 高电容光伏组件瞬态闪光测试时 I -V曲线的失真Fig. 2 I-V curve distortion in the I-V test of high-efficiency/highly capacitive PV module usingflasher I-V testers从以上分析来看， 要消除电容效应对 I-V 测试结果的影响， 一是减小太阳电池电容， 然而太阳电池结构一旦确定， 电容也随之确定， 无法再改变； 二是使 dV/dt 值变小， 尽量接近于零， 这可通过延长测试时间或改变电压扫描方式来实现 dV/dt≈0 。目前常见延长测试时间的 I-V 测试模式有稳态测试， 瞬态测试中的分段测试 ［ 5］ 、 宽脉冲测试和最大功率点修正测试 （也称作双闪测试） ， 改变扫描电压的测试模式主要是美国 Sinton［ 6］ 提出的动态 I-V 测试。2 不同测试模式下测试验证和分析根据上述分析， 采用稳态模拟器 （金盾） ， 瞬态模拟器 （ Pasan） 中的分段测试、 双闪模式、 Dargon-Back（动态 I-V） 模式， 瞬态宽脉冲模拟器 （陕西众森） 对 n 型常规光伏组件、 IBC 光伏组件、 HIT 光伏组件进行测试验证及分析。2.1 稳态测试稳态模拟器使用一个稳态光源作为太阳模拟器的光源， 能提供稳态光的输出。测试数据的采集时间不再受光源的影响， 可保证测试时间足够长，以消除电容效应对测试结果的影响。因此适用于高电容光伏组件的测试。采用金盾稳态模拟器和 Pasan 瞬态模拟器 （闪光时间为 10 ms） 对 IBC 光伏组件进行功率测试。表 2 测试结果显示， 采用稳态模拟器的最大测试功率 Pmax ， 比常规 10 ms 脉冲瞬态模拟器的测试值高11.3 W， 这说明 10 ms 短脉冲瞬态模拟器难以满足高电容光伏组件的测试， 而稳态模拟器则很好地解决了这一问题。然而， 稳态模拟器由于测试时间长， 易导致光伏组件温度升高， 因此需要专门的冷却系统， 以保证光伏组件温度的稳定， 但所需设备耗电大、 灯管寿命短、 价格贵且维护费用高， 因此只适用于研究机构和实验室， 不适于光伏组件生产线的使用。表 2 稳态和瞬态测试模式下 IBC 光伏组件的 I-V测试值Table 2 I-V test value of IBC PV module using steady-statetest and dynamic test测试设备稳态模拟器Pasan/10msVoc/V64.6564.23Isc/A6.306.29Pmax/W312.0300.7Δ Pmax/W11.32.2 分段测试相较于稳态模拟器， 瞬态模拟器耗能小、 价格低、 维护率低、 无需控温系统等特点使其成为目前光伏组件生产中主流的 I-V 测试设备。然而， 目前常用的 10 ms 瞬态模拟器难以满足 IBC、 HIT 、 多结等高电容光伏组件的测试。为了解决这一问题， 许多设备厂家采用分段测试的方法来延长测试时间，实现 n 型高电容光伏组件的测试。分段测试是将 I-V 测试曲线分成若干部分， 每部分在一次光脉冲下进行测试， 最后组合成一条完整的 I-V 测试曲线， 具体见图 3。采用分段测试时，需对比正向测试 （ Isc-Voc） 和反向测试 （ Voc-I sc） 的测试结果。当分段数 n 满足式 （ 3） 时， 可认为此时已基本消除电容效应对光伏组件的测试结果影响， 此分段数下的正向测试结果即为该光伏组件的实际测试值。Δ n=( Pmax,rev - P max,dir )/(Pmax,rev + Pmax,dir )≤ 0.5% （ 3）6期 陈喜平等： n型光伏组件的电性能测试技术研究 1535式中， Pmax,dir — —分 n 段测试时正向测试的最大功率； Pmax,rev— —分 n 段测试时反向测试的最大功率，Δ n— —分 n 段测试时正、 反向测试的偏差。/A/V0 10 20 30 40 50012345679.0 ms9.0 ms9.0 ms9.0 ms 9.0 ms54321图 3 分段测试曲线图Fig. 3 Sectionalization test graph采用 Pasan瞬态模拟器的分段测试模式， 对 n型双面发电光伏组件、 IBC 光伏组件、 HIT 光伏组件分别进行分段测试。测试条件为： 每段测试时间为8 ms， 每段测试 250 个点， 每次测试间隔 30 s， 具体测试结果如图 4 所示。从图 4 可看出， 分段数增加， 不同类型光伏组件的正向测试功率 Pmax， dir 逐渐增加， 反向测试功率 Pmax， rev 逐渐减小， 最终趋于稳定， 接近第三方测试机构的标称值 Pmax， 标 称 。对于n 型普通光伏组件， 分 6 段测试时， Δ6 为 0.48% ，满 足 测 试 要 求 ； IBC 光 伏 组 件 ， 分 10 段 测 试 时 ，Δ 10=0.5%， 满足测试要求； 对于 HIT 光伏组件， 分30 段测试时， Δ 30=0.41%， 满足测试要求。Pmax,dir Pmax,dev Pmax,1 2 3 4 5 62702802900 2 4 6 8 103003153300 5 10 15 20 25 30280320360Pmax/WHITnIBC图 4 光伏组件测试功率随分段数的变化Fig. 4 Thechangeof PV modules test powerwithnumber of sectionalization由此可见， 采用分段测试的方法可实现 n 型高电容光伏组件的精准测试。然而每次闪光间隔30 ms， n 型双面光伏组件、 IBC 光伏组件、 HIT 光伏组件至少需 150 s+48 ms、 270s+80 ms、 870 s+240 ms的测试周期。测试时间长， 不适用于生产； 闪光次数多， 测试成本高， 因此该方法仅作为一种实验方法使用， 不适合生产线上高电容光伏组件的测试。2.3 宽脉冲测试为了提高 n 型高电容光伏组件的瞬态测试速度， 同时保证测试准确度， 部分设备厂家采用 LC 充放电网络等方法获得约 100 ms 的亚稳态脉冲， 延长了测试时间， 基本消除了电容效应对 I-V 测试结果的影响。但灯管寿命随脉冲时间的增加而缩短， 因此获得适当的脉冲时间， 对光伏组件精准测试、 减小测试成本以及延长设备寿命十分重要。本文采用陕西众森的宽脉冲模拟器， 在不同脉冲时间下，对 IBC 光伏组件进行 I-V 测试， 获得测试值 Pmax,测试 ，并与第三方测试机构的标准值 Pmax,标称 进行对比， 求出测试误差 η Pmax， 如图 5 所示。其中满足：η Pmax =( Pmax,标称 - Pmax,测试 )/Pmax,标称 × 100% （ 4）10 20 30 40 50 60 70 80216219222225228231/msΡ max/W01234567η Ρ/%η ΡΡ maxmaxmax图 5 IBC 光伏组件功率值和测试误差随脉冲时间的变化Fig. 5 The changeof IBC PV powerandtest error with pulse time从图 5 看出， 测试脉宽为 10 ms 时， IBC 光伏组件的测试值远小于标称值， 测试功率值的误差 η Pmax达到 6.7%， 说明电容效应对短脉冲测试的影响非常明显。而随着脉冲时间的延长， IBC 光伏组件的测试功率逐渐增大， 并在 50 ms 时基本趋于稳定， 在 80 ms时 η Pmax ≈0 。这说明该光伏组件需 80 ms的脉宽才能有效消除电容效应， 与图 4 中分段测试结果相一致。根据表 1 中光伏组件电容的级别和图 4 中的1536 太 阳 能 学 报 36卷测试结果可推测， n 型常规光伏组件需 40~50 ms 脉冲时间即可实现组件的精确测试， HIT 光伏组件则需 240 ms 以上的脉冲时间才能实现该光伏组件的精准测试。目前宽脉冲测试仪以其较快的测试速度、 较高的测试稳定性， 成为高电容光伏组件生产厂家的主流产线测试设备。但由于脉冲时间较长、 对电源的设计要求更高， 因此价格较高。同时闪光时间长、灯管寿命比常规 10 ms 脉冲模拟器低， 也导致测试成本较高。2.4 最大功率点修正测试和分段测试延长测试时间不同， 最大功率点修正测试由两次闪光测试完成， 也称作双闪测试。第一次闪光进行整个 I-V 曲线扫描测试， 然后由软件分析获得最大功率点， 在最大功率点附近再进行第二次闪光测试 （见图 6） ， 得到最大功率附近的精确测试结果。然后由软件把两次测试结果进行整合，获得最终测试结果。0 10 20 30 40 5001234567/A/VImax=5.885 A Vmax=41.02VI sc=6.08 AT=25Irr=1000 W/m2Rs=0.61 Ω Rsh=700.95 ΩPmax=241.4 WVoc=49.23 V图 6 最大功率点修正测试图Fig. 6 The graph of maximum powerpoint modification test采用 Pasan瞬态模拟器的双闪测试模式， 对 n型常规光伏组件、 IBC 光伏组件进行双闪测试。测试条件为： 单次闪光时间为 10 ms， 每段测试 250 个点， 每次测试间隔 30 s。具体测试结果见表 3。从表 3 中数据可知， 该测试模式下， n 型普通光伏组件、 IBC 光伏组件的开路电压、 短路电流和最大功率的测试值基本等于标称值， 测试误差很小， 说明10 ms+10 ms 的闪光时间， 满足该类光伏组件的测试要求。然而对于超高电容的 HIT 光伏组件， 该种测试方式无法满足其测试要求。表 3 最大功率点修正测试时 n 型光伏组件的测试值和真实值的差别Table 3 The difference betweenmeasuredvalue and truevalue for n-type PV modules using maximum power pointmodification test参数测试值标称值误差 /%n型普通光伏组件Pmax/W281.2280.80.14I sc/A9.459.450Voc/V38.6438.650.03IBC 光伏组件Pmax/W312.5312.00.17I sc/A6.306.300Voc/V64.6564.660.02相较于分段测试， 双闪测试具有闪光次数少、测试时间短、 测试成本低等优点。但仅对最大功率点附近的电压电流值进行修正， 其他地方的曲线并未修正， 因此不能准确给出光伏组件的开路电压。所以尚无测试机构采用该方法进行光伏组件的标定， 因此只能用在精确度要求不高的测试项目上。2.5 动态 I-V测试 （ 龙背测试， 简称 DB）为了解决目前稳态测试、 宽脉冲测试、 多次闪光测试模式测试时间长、 费用高、 灯管寿命短等问题， Pasan 推出一款具有动态 I-V 测试模式 ［ 7］ 的设备。该测试模式可在不改变测试时间的情况下， 将传统的线性电压扫描方式变为阶梯状的电压扫描方式， 整个电压扫描曲线由多个类似台阶状的扫描电压组成 （图 7a） 。在每个台阶的起始部位， 设置合理的峰值及宽度， 以消除电压变化时电池电容充放电导致的测试误差。当电池电容充放电结束时 （图 7b） ， 保持电压不变， 采集电流稳定后的测试值作为有效数据点 （图 7c） 。最后根据所有台阶对应的测试值， 绘制 I-V 曲线 （图 7d） ， 得到光伏组件的电性能参数。2.0 2.5 3.0 3.5 4.022242628303234/V/msa. 台阶状扫描电压0 2 4 6 8 100.050.030.010.010.030.050.070.090.110.130.15/msdI /dtdV /dtdI/dtdV/dtb. 电压、 电流的倒数随时间变化0 2 4 6 8 1005101520253035404550++#/ms+/V1012345678+#/Ac. 测试电压、 电流随时间变化0 10 20 30 40 500123456/A/V10 msd. 动态 I-V测试 （ DB） 曲线图 7 动态 I-V测试过程原理图Fig. 7 The principle diagramsof dynamic I-V test采用 Pasan瞬态模拟中的 DB 测试模式对 n 型普通光伏组件、 HIT 光伏组件进行测试， 如表 4 所示。从表 4 可看出， 两类光伏组件的测试结果和第三方标称值相差不大， 测试误差在 0.5%以内。说明DB 测试模式很好地解决了瞬态测试时， 电容效应对 n 型光伏组件测试结果影响的问题。但值得注意的是， n 型普通光伏组件采用 DB 模式进行测试时， 只需 10 ms 就能消除电容效应， 而对于 HIT 光伏组件， 其大的电容效应使该光伏组件在 DB 模式下， 仍需 10 ms+10 ms 的分段测量 （分两段测试， 每次闪光时间为 10 ms， 间隔 30 s） 。表 4 DB 测试模式下 n 型光伏组件测试测试值和真实值的差别Table 4 The difference betweenmeasuredvalue and truevalue for n-type solar cell modules using DB test参数测试 1测试 2平均值标称值误差 /%n型普通电池组件Pmax/W255.8255.9255.8255.90.03Isc/A8.9508.9608.9508.9400.12Voc/V38.0538.0538.0538.060.02HIT 电池组件Pmax/W271.4271.2271.3270.00.48I sc/A8.9908.9808.9858.9940.10Voc/V42.6142.6242.6242.650.08DB 测试模式的优点是通过优化电压的扫描方式， 结合高速数据采集设备消除电容效应对光伏组件 I-V 测试结果的影响， 使其能在较短的时间内（ 10 ms） 实现高电容光伏组件电性能的精准测试。目前多家测试机构已采用该测试模式， 其将成为高电容光伏组件测试的主流方向。3 结 论针对使用短脉冲瞬态测试仪进行 n 型高电容光伏组件 I-V 测试时测试曲线失真问题， 从测试机理上分析得出产生该问题的原因主要是电压快速扫描引起的电容器充放电， 提出延长测试时间和改变电压扫描曲线来解决电容效应的测试方法， 解决了目前高电容光伏组件测试方案欠缺的问题。并采用稳态测试、 瞬态宽脉冲测试、 瞬态分段测试、 瞬态双闪测试以及瞬态动态 I-V 测试 5 种测试方法，对 n 型双面、 IBC、 HIT 高电容光伏组件进行测试验证， 几种方法虽能较好地解决高电容光伏组件 I-V测试问题， 但在测试效率和测试成本方面存在较大差异。根据测试方法的不同特点， 可选用测试精度较高的稳态测试方法、 瞬态分段测试方法用于实验室光伏组件的测试， 选用高效率、 成本相对较低的宽脉冲测试方法和动态 I-V 测试方法用于生产线光伏组件的测试。［ 参考文献 ］［ 1］ Kerschacer E V， Beaucarne G. 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Shanghai ShenzhouNew Energy DevelopmentCompany， Shanghai 201112， China）Abstract ： Aiming at the I - V curve distortion in test of the high- efficiency/high capacitance n-type solar PV modulesusing flash I-V tester（ pulse time of 5-20 ms） ， and the errors in the open circuit voltage， fill factor and maximum powerinduced by distortion ， the key methods to solve this phenomenon was put forward by analyzing the influence factors of theI- V curve distortion according to the configuration and test mechanism of solar cell. N type solar PV modules， such asnormal and IBC solar PV modules were tested using long pulse test， sectionalization test and some other methods. Theinfluence of different test methods and solar cell capacitance on I -V test results was investigated. Finally ， the accuratetest method for I -V test was acquired， which solved the test problem of high- efficiency/highly capacitance N type solar PVmodules.Keywords ： solar PV module； capacitance effect； pulse time； I-V test