自主研制的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的驗收測試

王順權(quán)，朱冰潔，王 億，宋 昊

(無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，無錫 214101)

0 引言

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池作為光伏行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，對太陽電池及光伏組件起到非常重要的量值溯源的作用。標(biāo)準(zhǔn)太陽電池是標(biāo)定太陽模擬器輻照度的重要依據(jù)，通過其標(biāo)定太陽模擬器的輻照度，進(jìn)而才能測試出光伏器件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的電性能。因此，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的性能穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對太陽電池和光伏組件的測量具有十分重要的影響。

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在正式投入使用前，必須經(jīng)過一系列的驗收測試[1]。目前，主流的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池制造商主要是歐美和日本的廠商，以及我國少數(shù)幾家研究機構(gòu)，所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池性能參差不齊，并且對于該類電池的驗收也無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范建議，融入實驗室多年測試經(jīng)驗，針對自主研制的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池展開了驗收測試，進(jìn)行了相關(guān)驗收試驗，獲得了良好的試驗結(jié)果。

1 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的結(jié)構(gòu)與制備

本文采用自主研制生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行驗收試驗[2]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該標(biāo)準(zhǔn)太陽電池自上至下的結(jié)構(gòu)為石英玻璃、鋁合金上蓋板、晶體硅太陽電池、可伐合金基板、鉑電阻Pt100、LEMO連接器、鋁合金基底，以及鋁合金后蓋板。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of standard solar cell

本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的最核心部分為晶體硅太陽電池，選用了效率較高的單晶硅太陽電池。單晶硅太陽電池在投入使用前必須進(jìn)行穩(wěn)定性處理，然后切割成20 mm×20 mm的正方形，切割時需保證主柵線位于電池邊緣，對電池邊緣進(jìn)行絕緣處理后，將電池正、負(fù)極用引線引出。

本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池采用紫外線高透過率的石英玻璃作為窗口層，在對玻璃表面進(jìn)行精拋光后，其在波長為300～1200 nm范圍內(nèi)的透過率可超過91%，具體如圖2所示。

圖2 本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池采用的石英玻璃的表面透過率曲線Fig. 2 Surface transmittance of silica glass used in standard solar cell

本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池主體部分采用鋁合金，為了降低鋁合金表面的反射率，需對鋁合金表面進(jìn)行硬質(zhì)氧化處理。單晶硅太陽電池襯底采用線性膨脹系數(shù)與單晶硅太陽電池相近的可伐合金，按照石英玻璃、EVA、太陽電池、EVA可伐合金的順序進(jìn)行層壓。在層壓前，對可伐合金表面進(jìn)行了啞光黑噴塑處理，可降低可伐合金對光線的反射，處理后在波長300～1200 nm范圍內(nèi)可伐合金表面的反射率均低于5%。可伐合金表面的反射率曲線如圖3所示。

圖3 可伐合金表面的反射率曲線Fig. 3 Reflectivity curve of kovar alloy surface

本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的溫度傳感器選用阻值漂移較小的鉑電阻，其采用四線連接法與LEMO連接器連接，緊貼于可伐合金背面，由于可伐合金的厚度較薄，因此該鉑電阻可以靈敏地反映太陽電池的溫度變化。2個LEMO連接器分別與太陽電池和鉑電阻連接，并固定于鋁合金基底的同側(cè)。

最后，將上述部件進(jìn)行層壓、電氣焊接與殼體安裝，制備成完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，實物圖如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池實物圖Fig. 4 Picture of standard solar cell

2 驗收測試方案

完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池制備完成后，需要對電池進(jìn)行驗收測試，并且通過測試后才能投入使用。在IEC 60904-2:2007標(biāo)準(zhǔn)中[3]，對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的外觀視角及結(jié)構(gòu)做出了較為廣泛的要求，如圖5所示。

圖5 IEC 60904-2:2007標(biāo)準(zhǔn)中對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池外觀及結(jié)構(gòu)的要求Fig.5 Requirement for appearance and structure of standard solar cell in IEC 60904-2:2007

國際上為了便于各個實驗室對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行校準(zhǔn)，世界光伏基準(zhǔn)(WPVS)[4]統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的設(shè)計及驗收的流程要求。依據(jù)這一要求并結(jié)合測試經(jīng)驗，將WPVS的要求進(jìn)行了細(xì)化和改進(jìn)，形成了一套完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池驗收測試方法。利用該方法對制備的成品標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行了驗收測試，具體測試內(nèi)容包括：外觀測試，反射率測試，電阻溫度探測器(RTD)溫度性能測試，封裝前、后STC條件下的I-V特性測試、暗態(tài)下的性能測試、光老化測試、光穩(wěn)定性測試，以及光老化后的相關(guān)性能測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 外觀測試

觀察制備的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池樣品外觀，若金屬外殼無損傷，玻璃窗口層無裂痕，EVA膠層無氣泡、剝離、脫落等現(xiàn)象，窗口視角為163°、厚度為17.0 mm，則符合使用要求。

3.2 反射率測試

市面上常見的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的金屬外殼的反射率基本都小于5%，窗口層與金屬層反射率小于10%。現(xiàn)對本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池樣品進(jìn)行反射率測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 窗口層的反射率測試結(jié)果Fig. 6 Reflectivity test result of window layer

從圖6可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池金屬外殼的全波段反射率約為4.5%，可伐合金與玻璃窗口層的全波段反射率約為5%，均符合使用要求。

3.3 RTD溫度性能測試

將本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池置于穩(wěn)態(tài)溫度環(huán)境箱中，在暗態(tài)無光條件下，設(shè)定箱內(nèi)溫度為分別10、20、30、40、50 ℃，然后在溫度穩(wěn)定后記錄10 min的RTD溫度，曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，試驗中RTD的溫度變化幅度＜5℃，符合使用要求。

圖7 RTD溫度穩(wěn)定性曲線Fig.7 RTD curves of temperature stability

3.4 封裝前、后的I-V特性測試

為了對比窗口材料在封裝前、后對核心的電池電性能的影響，對比了封裝前的晶體硅太陽電池及封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在STC條件下的I-V特性。本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的測試結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 封裝前的晶體硅太陽電池和封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的I-V曲線Fig. 8 I-V curves of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

表1 封裝前的晶體硅太陽電池和封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的電性能參數(shù)表Table 1 Electrical performance parameters of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

從圖8和表1可以看出，封裝后，由于窗口層的存在，到達(dá)太陽電池表面的太陽輻照度降低，使封裝后標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流相應(yīng)降低，填充因子由72.08%降至71.93%，但仍大于65%，符合WPVS中對太陽電池的要求。

3.5 暗態(tài)下的性能測試

對本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行暗態(tài)下的漏電流測試，結(jié)果如圖9所示。

圖9 暗態(tài)下的漏電流曲線Fig. 9 Leakage current curve in dark state

從圖9可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在暗態(tài)條件下存在較小的漏電流，約為0.01 A，符合使用要求。

3.6 光老化測試

無溫度控制條件下，將標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在太陽輻照度1000 W/m2條件下曝曬2 h，記錄其短路電流隨時間增加的變化情況，如圖10所示。

圖10 光老化測試中的短路電流曲線Fig. 10 Short circuit current in light aging test

從圖10可以看出，光老化測試期間，本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流基本無衰減；光照120 min后，短路電流在136～137 mA的范圍內(nèi)浮動，符合使用要求。

3.7 光穩(wěn)定性測試

經(jīng)過光老化測試后，記錄本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在STC條件下30 min內(nèi)的短路電流值，即對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行光穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 光穩(wěn)定性測試期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流曲線Fig. 11 Short circuit current of standard solar cell in light stability test

從圖11可以看出，在光穩(wěn)定性測試期間，STC條件下本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流值的最大平均誤差為0.2%，符合使用要求。

3.8 光老化測試后的相關(guān)性能測試

經(jīng)過光老化測試后，再次對本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的外觀、RTD溫度性能、電性能等進(jìn)行測試，結(jié)果如圖12和表2所示。

圖12 光老化測試前、后標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的I-V曲線Fig. 12 I-V curve of standard solar cell before and after light aging test

表2 光老化測試前、后標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的電性能參數(shù)表Table 2 Electrical performance parameters of standard solar cell before and after light aging test

經(jīng)過光老化測試后，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的外觀未發(fā)生變化。從圖12和表2可以看出，其短路電流與填充因子發(fā)生了較小的衰減，功率也僅衰減了0.17%，符合使用要求。

3.9 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池賦值

驗收測試結(jié)束后，可以對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行賦值，對其光譜響應(yīng)性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖13所示。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)曲線Fig. 13 Spectral response curve of standard solar cell

從圖13的光譜響應(yīng)曲線可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在光譜300～1200 nm波段下有很好的響應(yīng)，符合標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的使用要求。

4 結(jié)論

本文依據(jù)實驗室多年測試經(jīng)驗，對WPVS的要求進(jìn)行了細(xì)化和改進(jìn)，提出一種標(biāo)準(zhǔn)太陽電池驗收測試方法，并采用該方法對自主研制的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池進(jìn)行了驗收測試，該方法幾個重要的性能指標(biāo)為：

1)在結(jié)構(gòu)上，電池窗口視角為163°、厚度為17.0 mm，符合使用要求。

2)在反射率上，電池內(nèi)部可伐合金采用啞光黑噴塑處理，反射率低；窗口層采用紫外線高透過率的石英玻璃，整體反射率約為5%，符合使用要求。

3)對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的外觀、反射率、RTD溫度性能、光老化及光穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，均驗證了該標(biāo)準(zhǔn)太陽電池可以投入使用。

本測試方法可為其他標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的驗收測試提供適當(dāng)參考。