晶体硅太阳电池设计太阳电池测试.docx

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晶体硅太阳电池设计太阳电池测试

第三章太阳电池测试

3.1太阳模拟器

3.1.1概述

太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准太阳光下进行才有参考意义。

如果测试光源的特性和太阳光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。

3.1.2太阳辐射的基本特性

3.1.2.1几个描述光的物理概念：

（1）发光强度。

按照1979年第16届国防计量会议（CGPN）确定，以坎德拉（cd）为发光强度的计量单位。

坎德拉是一光源在给定的方向上的光强度，该光源发出频率为5401012Hz的光学辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683WSr-1

（2）光通量。

光通量的单位是流明（lm），它用来计量所发出的总光量，发光强度为1cd的点光源，向周围空间均匀发出4流明的光能量。

（3）光强度。

指照射于一表面的光强度，它用勒克斯（lx）作为单位，当1lm光通量的光强射到1m2面积上时，该面积所受的光照度（简称照度）就是1lx。

（4）辐射度，通常称为光强，即入射到单位面积上的光功率，单位是W/m2或mw/cm2。

3.1.2.2辐照度及其均匀性

对空间应用，规定的标准辐照度为1367w/m2（另一种较早的标准规定为1353w/m2），对地面应用，规定的标准辐照度为1000w/m2。

实际上地面阳光和很多复杂因素有关，这一数值仅在特定的时间及理想的气候和地理条件下才能获得。

地面上比较常见的辐射照度是在600~900w/m2范围内，除了辐照度数值范围以外，太阳辐射的特点之一是其均匀性，这种均匀性保证了同一太阳电池方阵上各点的辐照度相同。

3.1.2.3光谱分布

太阳电池对不同波长的光具有不同的响应，就是说辐照度相同而光谱成分不同的光照射到同一太阳电池上，其效果是不同的，太阳光是各种波长的复合光，它所含的光谱成分组成光谱分布曲线，而且其光谱分布也随地点、时间及其它条件的差异而不同，在大气层外情况很单纯，太阳光谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，称为AMO光谱。

在地面上，由于太阳光透过大气层后被吸收掉一部分，这种吸收和大气层的厚度及组成有关，因此是选择性吸收，结果导致非常复杂的光谱分布。

而且随着太阳天顶角的变化，阳光透射的途径不同吸收情况也不同。

所以地面阳光的光谱随时都在变化。

因此从测试的角度来考虑，需要规定一个标准的地面太阳光谱分布。

目前国内外的标准都规定，在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱，简称AM1.5标准太阳光谱。

此时太阳的天顶角为48.19，原因是这种情况在地面上比较有代表性。

3.1.2.4总辐射和间接辐射

在大气层外，太阳光在真空中辐射，没有任何漫射现象，全部太阳辐射都直接从太阳照射过来。

地面上的情况则不同，一部分太阳光直接从太阳照射下来，而另一部分则来自大气层或周围环境的散射，前者称为直接辐射，后者称为天空辐射。

二部分合起来称为总辐射，在正常的大气条件下，直接辐射占总辐射的75%以上，否则就是大气条件不正常所致，例如由于云层反射或严重的大气污染所致。

3.1.2.5辐照稳定性

天气晴朗时，阳光辐照是非常稳定的，仅随高度角而缓慢的变化，当天空有浮云或严重的气流影响时才会产生不稳定现象，这种气候条件不适宜于测量太阳电池，否则会得到不确定的结果。

3．2太阳模拟器

综上所述，标准地面阳光条件具有1000w/m2的辐照度，AM1.5的太阳光谱以及足够好的均匀性和稳定性，这样的标准阳光在室外能找到的机会很少，而太阳电池又必须在这种条件下测量，因此，唯一的办法是用人造光源来模拟太阳光，即所谓太阳模拟器。

3．2．1稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器

稳态太阳模拟器是在工作时输出辐照度稳定不变的太阳模拟器，它的优点是能提供连续照射的标准太阳光，使测量工作能从容不迫的进行。

缺点是为了获得较大的辐照面积，它的光学系统，以及光源的供电系统非常庞大。

因此比较适合于制造小面积太阳模拟器，脉冲式太阳模拟器在工件时并不连续发光，只在很短的时间内（通常是毫秒量级以下）以脉冲形式发光。

其优点是瞬间功率可以很大，而平均功率却很小。

其缺点是由于测试工作在极短的时间内进行，因此数据采集系统相当复杂，在大面积太阳电池组件测量时，目前一般都采用脉冲式太阳模拟器，用计算机进行数据采集和处理。

3．2．2太阳模拟器的电光源及滤光装置

用来装置太阳模拟器的电光源通常有以下几种：

卤光灯：

简易型太阳模拟器常用卤光灯来装置。

但卤光灯的色温值在2300K左右，它的光谱和日光相差很远，红外线含量太多，紫外线含量太少。

作为廉价的太阳模拟器避免采用昂贵的滤光设备，通常用3cm厚的水膜来滤除一部分红外线，使它近红外区的光谱适当改善，但却无法补充过少的紫外线。

冷光灯：

冷光灯是由卤钨灯和一种介质膜反射镜构成的组合装置。

这种反射镜对红外线几乎是透明的，而对其余光线却能起良好的反射作用。

因此经反射后红外线大大减弱而其它光线却成倍增加。

和卤钨灯相比，冷光灯的光谱有了大辐度的改善，而且避免了非常累赘的水膜滤光装置。

因此目前简易型太阳模拟器多数采用冷光灯。

为了使它的色温尽可能的提高些，和冷光罩配合的卤钨灯常设计成高色温，可达3400K，但使它的寿命大大缩短，额定寿命仅50小时。

因此需经常更换。

氙灯：

氙灯的光谱分布从总的情况来看比较接近于日光，但在0.80.1之间有红外线，比太阳光大几倍。

因此必须用滤光片滤除，现代的精密太阳模拟器几乎都用氙灯作电源，主要原因是光谱比较接近日光，只要分别加上不同的滤光片即可获得AM0或AM1.5等不同的太阳光谱。

氙灯模拟器的缺点从光学方面来考虑是它的光斑很不均匀，需要有一套复杂的光学积分装置来使光斑均匀。

从电路来考虑是它需要一套复杂而比较庞大的电源及起辉装置。

总的来说，氙灯模拟器的缺点是装置复杂，价格昂贵，特别是有效辐照面积很难做得很大。

脉冲氙灯：

脉冲式太阳模拟选用各种脉冲氙灯作为光源，这种光源的特点是能在短时间内发出比一般光源强若干倍的强光，而且光谱特性比稳态氙灯更接近于日光。

由于亮度高通常可放在离太阳电池较远的位置进行测量，因此改善了辐照均匀性，可得到大面积的均匀光斑。

3．3太阳模拟器某些光学特性的检测

3．3．1辐照不均匀度的检测

辐照不均匀度是对测试平面上不同点的辐照度来说，当辐照度不随时间改变时，辐照度不随时间改变时，辐照不均匀度按下式计算:

辐照不均匀度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）×100％

在测量单体电池时，辐照不均匀度应使用不超过待测电池面积1/4的检测电池来检测。

在测量组件时，应使用不超过待测组件面积1/10的检测电池来检测。

3．3．2辐照不稳定的检测

测试平面上同一点的辐照度随时间改变时。

辐照不稳定度按下式计算

辐照不稳定度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）

3．3．3光谱失配误差计算

光谱失配误差=

式中：

和

分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电流i（λ）与短路电流I之比：

B（λ）－1定义为光谱，它表示太阳模拟器光谱辐照度еsim（λ）和AM1.5的光谱辐照度。

еAM1.5（λ）的相对偏差：

即

由上述容易看到，在两种特殊情况下光谱失配误差消失：

一种情况是太阳模拟器的光谱和标准太阳光谱完全一致，另一种情况是被测太阳电池的光谱响应和标准太阳电池的光谱响应完全一致。

这两种特殊情况都难以严格地实现，而二种情况相比之下，后一种情况更难实现，因为待测太阳电池是多种多样的，不可能每一片待测电池都配上和它光谱响应完全一致的标准太阳电池。

光谱响应之所难于控制，一方面出于工艺上的原因，在众多复杂因素的影响下，即使是同工艺、同结构、同材料，甚至是同一批生产出来的太阳电池，并不能保证具有完全相同的光谱响应，另一方面来自测试的困难，光谱响应的测量要比伏安特性麻烦得多，也不易测量正确，不可能在测量伏安特性之前先把每片太阳电池的光谱响应测量一下。

因此为了改善光谱匹配，最好的办法是设计光谱分布和标准太阳光谱非常接近的精密型太阳模拟器，从而对太阳电池的光谱响应不必再提出要求。

3.4单体太阳电池测试

测量太阳电池的电性能归结为测量它的伏安特性，由于伏安特性与测试条件有关，必须在统一的规定的标准测试条件下进行测量，或将测量结果换算到标准测试条件，才能鉴定太阳电池电性能的好坏，标准测试条件包括标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）和标准测试温度，温度可以人工控制。

标准太阳光可以人工模拟，或在自然条件下寻找。

使用模拟阳光，光谱取决于电光源的种类及滤光、反光系统。

辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。

为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳电池。

测量伏安特性的原理框图如下：

图4.1测量伏安特性的电路框图

注意：

测量太阳电池的电压和电流，应从被测件的端点单独引出电压线和电流线。

3.4.1测试项目

（1）开路电压Voc

（2）短路电流Isc

（3）最佳工作电压Vm

（4）最佳工作电流Im

（5）最大输出功率Pm

（6）光电转换效率

（7）填充因子FF

（8）伏安特性曲线或伏安特性

（9）短路电流温度系数，简称电流温度系数

（10）开路电压温度系数，简称电压温度系数

（11）内部串联电阻Rs

（12）内部并联电阻Rsb

3.4.2电性能测试的一般规定

3.4.2.1标准测试条件

标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱。

地面阳光的总辐照度规定为1000w/m2。

标准测试温度规定为25C

对定标测试，标准测试温度的允许差为+1C。

对非定标准测试。

标准测试温度允许差为+2C。

如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，，则必须将测量结果换算到标准测试条件。

3.4.3测量仪器与装置

（1）标准太阳电池

标准太阳电池用于校准测试光源的辐射照度。

对AM1.5工作标准太阳电池作定标测试时，用AM1.5二级标准太阳电池校准辐射度。

在非定标测试中，一般用AM1.5工作标准辐照度，要求时用AM1.5级标准太阳电池。

（2）电压表（包括一切测量电压的装置）电压表的精度应不低于0.5级。

电流表内阻应小到能保证在测量短路电流时，被电池两端的电压不超过开路电压的3%。

当要求更精确时，在开路电压的3%以内可利用电压和电流的线性关系来推算完全短路电流。

推荐用数学毫伏表测量取样电阻两端电压降的方法来测量电流。

（4）取样电阻

取样电阻的精确度应不低于+0.2%。

必须采用四端精密电阻

电池短路电流和取样电阻值的乘积应不超过电池开路电压的3%。

（5）负载电阻

负载电阻应能从零平滑地调节到10K以上。

必须有足够的功率容量，以保证在通电测量时不会因发热而影响测量精度。

当可变电阻不能满足上述条件时，应采用等效的电子可变负载。

（6）函数记录仪

函数记录仪有于记录太阳电池的伏安特性曲线。

函数记录仪的精密应不低于0.5级。

对函数记录仪内阻的要求和对电压表内阻的要求相同。

（7）温度计

温度计或测温系统的仪器误差应不超过+0.5C测量系统的时间响应不超过1秒。

测量探头的体积和形状应保证它能尽量靠近太阳电池的pn结安装。

（8）室内测试光源

辐照度、辐照和均匀度、稳定度、准直性及光谱分布均应符合一定的要求。

3.4.4基本测试方法

所规定的测试项目中，开路电压和短路电流可以用电直接测量，其它参数从伏安特性求出。

太阳电池伏安特性应在标准地面阳光、太阳模拟器或其它等效的模拟阳光下测量。

太阳电池的伏安特性应在标准条件下测试，如受客观条件所限，只能在非标准条件下测试，则测试结果应换算到标准测试条件。

在测量过程中，单体太阳电池的测试温度必须恒定在标准测试温度。

可以用遮光法来控制太阳电池组件、组合板或方阵的测试温度模拟阳光的辐射度只能用标准太阳电池来校准，不允许用其它辐射测量仪表。

用于校准辐照度的标准太阳电池应和待测太阳电池具有基本相同的光谱响应。

（注：

系指同材料、同结构、同工艺的太阳电池）。

3.4.5从非标准测试条件换算到标准测试条件

电流和电压换算公式:

当测试温度、辐照度和标准测试条件不一致时，可用以下换算公式校正到标准测试条件：

式中：

I1、V1：

待校正的特性曲线的座标点。

I2、V2：

校正后的特性曲线的对应座标点。

ISC：

所测试电池的短路电流。

IMR：

标准电池在实测条件下的短路电流。

T1：

测试温度。

T2：

标准测试温度。

RS：

所测电池的内部串联电阻。

K：

曲线校正因子，一致可取K1.2510-3/C

：

所测电池在标准辐照度下，以及在所需的温度范围内的短路电流温度系数。

：

和上述短路电流温度系数相对应的开路电压温度系数。

注：

以上各参数的单位必须统一。

3.4.6室外阳光下测试

1）测试场地及周围环境

测试场地周围的地面空旷，不遮光。

反光及散光的任何物体。

测试场地周围地面上应无高反射的物体，如冰雪、白灰和亮沙子等。

2）气候及阳光条件

天气及晴朗，太阳周围无云。

阳光总辐照度不低于标准总辐射度的80%。

天空散射光所占比例不大于总射的25%。

在测试周期内，辐照的产稳定度应不大于+1%。

3）安装要求被测电池、标准电池应安装在同一平面上，并尽量靠近，测试平面的法线和入射光线的夹角应不大于5

3.4.7太阳电池内部串联电阻的测量

1）本方法在太阳模拟器或其它模拟阳光下测量太阳电池内部串联电阻，所用的装置和测量伏安特性的装置相同。

但要求测试平面上的辐照度大致能在600w/m2到1200w/m2范围内调节。

2）用二种不同的辐照度，分别测量二条伏—安特曲线，画在同一座标上，如图4.2。

二种辐照度大致取为900w/m2和1100w/m2，不需知道正确的数值。

辐照度改变时要求温度变化不超过2C。

3）图中，在二条曲线的最大功率点附近各选择一点P和Q，使满足

ISC1－IP＝ISC2－IQ

4）按下式算出RS1

5）保持温度不变，把辐照度调节到700w/m2左右，再描绘一条伏——安特曲线3。

6）重复6.3和6.4从曲线2和3算出RS3，从曲线1和3算出RS2。

7）被测太阳电池的内部串联电阻。

图4.2伏安特性曲线

3.4.8太阳电池电流和电压温度系数的测量

太阳电池的短路电流温度系数和开路电压温度系数随辐照情况而改变，并与温度有关，因此必须在规定的辐照条件下进行测量。

而测量结果只在所测的温度范围内适用，温度范围根据需要来确定。

1）测试光源用太阳模拟器或其它模拟阳光，推荐使用脉冲式太阳模拟器。

2）温度传感器附着在被测的太阳电池上，尽量靠近pn结。

3）被测器件安装在能控制温度的测试架上，接触面应有良好的热传导，温度恒定在标准测试温度。

4）工作标准电池和被测电池并排放置在测试平面的有效辐照区内。

5）工作标准电池校准辐照度。

6）把温度调节到所需温度范围的最低点，测量开路电压和短路

7）把温度升高10C，稳定后再测量开路电压和短路电流。

8）重复7.7，直到所需温度范围的最高点。

9）用统计方法处理数据，画出短路电流——温度以及开路电压——温度二条曲线。

10）在所需温度范围的中点，求出上述二条曲线的斜率，即和。

11）太阳电池组件、组合板和方阵的温度系数可根据单体电池的温度系数，以及单体电池串、并联个数算出。

式中：

C和C是单体电池的电流和电压温度系数。

和是组件、组合板或方阵的电流和电压温度系数。

nP：

单体电池的并联个数。

nS：

单体电池串联个数。

12）当温度低于环境温度时，为了防止被测器件的表面生成冷凝水珠，可以用干燥的氮气保护，必要时在高真空中测试。

3.5非晶硅太阳电池电性能测试须知

非晶硅太阳电池电性能测试方法从原则到具体程序都和单晶硅、多晶硅太阳电池电性能测试相同，但必须注意以下几点区别，否则可能导致严重的测量误差。

3.5.1校准辐照度

应选用恰当的、专用于非晶硅太阳电池测试的非晶硅标准太阳电池来校准辐照度。

由于非晶硅太阳电池，将会得到毫无意义的测试结果。

当然，按照光谱失配的理论，如果所选的用的测试光源十分理想，那么，即使用单晶硅标准太阳电池校准辐照度也能获得正确的结果。

3.5.2光源

用于非晶硅太阳电池电性能测试的光源应尽可能选用在0.3~0.8波长范围内，光谱特性非常接近一塌胡涂AM1.5太阳光谱的太阳模拟器。

在自制太阳模拟器的情况下，应当给出从0.3~0.58波长范围，内光谱分布的详细数据或曲线，以便计算光谱失配误差。

3.5.3光谱响应

非晶硅太阳电池的光谱响应特性与所加偏置光及偏置电压有关，在非标准条件下进行测试和换算时应注意有关情况。

3.6太阳电流组件测试和环境试验方法

3.6.1测试项目

太阳电池组件参数测量的内容，除常用的和单体太阳电池相同的一些参数外，还应包括绝缘电阻、绝缘强度、工作温度、反射率及热机械应力等参数。

3.6.2组件电性能参数测量中所需的参考组件

关于太阳电池电性能参数测量方法的总原则已在3、4、5等节中作了说明，这些原则性的方法当然也适用于组件参数测量。

这里需要补充的首先是，在组件参数测量中和能采用参考组件来校准辐照度要比直接用标准太阳电池来校准辐照度更值得推荐，在室内测试和室外测试二种情况下，对参考组件的形状、尺寸、大小的要求不一致。

在室内测试的情况下，要求参考组件的结构、材料、形状、尺寸等都尽可能和待测组件相同。

而室外阳光下测量时，上述要求可稍微放宽，即可以采用尺寸较小，形状不完全相同的参考组件。

3.6．3太阳电池组件测试方法

3.6.3．1组件的额定工作温度（NOCT）

额定工作温度NOCT和NominalOperatingCellTemperature的编写，其定义是太阳电阻组件在辐照度为800w/m2、环境温度20C、风速为1m/S的环境条件下，太阳电池的工作温度。

某种组件的额定工作温度和它的实际工作温度tr以及环境温度te之间有如下的经验公式：

式中E为测量时的实际辐照度。

由于太阳电池组件的实际工作温度常难以直接测定。

因此采用上式公式来进行估算是有意义的。

测定了环境温度及辐照度便可根据它的NOCT数据来估算实际工作温度。

各种组件的NOCT应当由专门机构来测定。

某种组件的NOCT取决于它的封装情况，以下一组典型的NOCT数据可作为参考标准。

组件封装状况NOCT（C）

用玻璃做基板无气隙封装41

用玻璃做基板的有气隙封装60

采用带有散热片的铝质基板40

采用不带散热的铝质基板43

采用塑料基板47

3.6.3.2电阻的测量

绝缘电阻测量是测量组件输出端和金属基板或框架之间的绝缘电阻。

在某些环境试验项目进行前后都需测量绝缘电阻。

在测量前先作安全检查，对于已经安装使用的方阵首先应检查对地电位、静电效应，以及金属基板、框架、支架等接地是否良好等，建议最好光用容量足够大的开关设备把待测方阵的输出端短路后再进行测量，可以用普通的兆欧表来测量绝缘电阻，但应选用电压等级大致和待测方阵的开路电压相当的兆欧表。

测量绝缘电阻时，大气相对温度应不大于75%。

3.7地面用硅太阳电池组件环境试验概况

地面用太阳电池组件常年累月运行于室外环境，必须能反复经受各种恶劣的气候条件及其它多变的环境条件，并保证要在相当长的额定寿命（通常要求15年以上）内其电性能不发生严重的衰退，为此在出厂前因按规定抽样进行各项环境模拟试验，以下简略介绍环境试验的具体项目及技术要求。

在环境试验项目进行前后（注意：

这里是指每一个项目进行前后）均需观察和检查组件外表有无异常现象，最大输出功率的下降是否大于5%。

凡是外观发生异常或最大输出功率下降大于5%者均为不合格。

这是各项试验的共同要求，以下不再逐一说明。

3．7．1温度交变

从高温到低温反复交替变化称为温度交变。

交变的温度范围规定为—40+3~+35+2C。

凡用钢化玻璃为盖板的组件应交变200次，用优质玻璃作盖板的组件应交变50次。

在进行每项试验前后均应测量电性能参数，并观察试验后外表有列异常，以下从略。

3．7．2高温贮存地面用太阳电池组件应放在85+2C的高温环境下存贮16小时。

3．7．3低温贮存

地面用太阳电池组件应放在—40+3C的低温环境下贮存16小时。

3．7．4恒定湿热贮存

地面用太阳组件应放应相对湿度为90~95%，温度为40+2C的湿热环境下存放4天。

试验结束电性能测试及外观检查绝缘电阻，小于1M者为不合格。

3．7．5振动、冲击

振动及冲击试验目的是考核其耐受运输的能力。

因此应在良好的包装条件下进行试验。

试验条件规定如下：

振动频率：

10～55HZ

振幅：

0.35mm

振动时间：

法向20分钟，切向20分钟

冲击波形：

半正弦、梯形、后峰锯齿、持续11ms

冲来的峰值加速度：

150m/s2

冲击次数：

法向、切向各3次。

3．7．6盐雾试验

在近海环境中使用的太阳电池组件应进行此项试验，即在温度35+2C5%氯化钠水溶液的雾气中贮存96小时后，检查外观、最大输出功率及绝缘电阻。

3．7．7冰雹试验

模拟冰雹试验所用的钢球重227+2g，下落高度视组件盖板材料而定，钢化玻璃：

高度100cm，优质玻璃：

50cm。

向太阳电池组件中心下落1次。

3．7．8地面太阳光辐照试验

此项试验应在模拟地面太阳光辐照试验箱中进行。

模拟太阳光应垂直照射组件，辐照度为1.12KW+10%，并具有地面阳光光谱分布。

每24小时为一周期，光照20小时，温度55C，停照4小时，温度为25C。

每小时喷水5分钟，持续进行18个月。

最大输出功率下降不得超过10%。

3．7．9扭弯试验

在15~35C的室温环境下，将太阳电池组件的三个角固定。

另一角安装在扭弯测试仪上，使组件的一个短边扭转1.2，试验完毕检查外观及电性能。