無主柵太陽電池電性能測試接觸及方法研究

摘 要：在太陽電池持續提效降本的過程中，其柵線金屬化技術一直是其關鍵路徑之一。太陽電池的主柵結構已從2～6根的常規主柵方案演變至12～24根的多主柵方案；自2022年起，無主柵方案開始在太陽電池產業端應用。I-V測試中常規的探針方案是依賴于探針在主柵上進行電性能參數采集，這一方法與無主柵太陽電池存在著設計上的不匹配，無法實現有效I-V測試。因此，提出一種適用于無主柵太陽電池并兼容多主柵太陽電池的測試系統，確保測試過程中測試夾具與細柵電極可靠接觸，實現I-V特性的準確測試。同時，通過結構與材料的優選設計，整套測試系統的可靠性與穩定性均得到提升，滿足了量產測試的要求。

關鍵詞：太陽電池；無主柵；接觸；I-V測試；產業化可行性

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

電流-電壓（I-V）測試是太陽電池生產過程中的關鍵環節，其準確性與測試速度是衡量測試質量的核心指標。常規主柵與多主柵太陽電池的I-V測試原理是：太陽模擬器工作時，太陽電池內部產生大量載流子，載流子通過細柵導出并匯集到主柵；太陽模擬器的采集系統通過上下探針排與主柵緊密接觸，從而完成太陽電池的I-V參數采集[1]。相較于常規主柵太陽電池，使用探針排對多主柵太陽電池進行測試時，探針排的數量需要相應增加，以適應主柵數量的增加。當探針排數量與主柵數量一致時，探針夾具遮擋嚴重，不僅會掩蓋太陽電池的電致發光（EL）缺陷，還會影響電性能參數測試的準確性；當探針排的數量少于主柵數量時，即與封裝時的焊帶數量存在較大差異時，會影響測試數據的準確性。此外，探針排的安裝空間限制與探針使用時間過長也是現有測試方法的弊端。

傳統的探針排測試方案于2022年開始在太陽電池產業端應用，但其與無主柵太陽電池存在設計上的不匹配性，無法滿足測試需求，對此，研究者們開始對無主柵太陽電池的電性能測試方法進行研究。德國ISFH CalTec檢測中心通過在彈性材料周圍包裹鍍金層作為夾具與細柵接觸來完成太陽電池的I-V測試，這種測試夾具是對探針夾具的改進；然而其對彈性材料的厚度提出了一定的要求，且測試時會對太陽電池造成嚴重遮擋，影響測試結果[2]。Bassi等[3]設計的太陽電池的I-V測試夾具是在太陽電池上表面繃直的導線，利用導線的張力來與細柵接觸；其優點是對太陽電池的遮擋面積較小，但在測試過程中，導線間及單一導線方向上的張力值存在差異，且多次反復測試后，很難保持導線組的張力值的一致性，會直接影響接觸測試結果的可靠性與導線的使用壽命。

鑒于現有太陽電池的I-V測試中夾具方案都存在明顯局限性，無法滿足生產線I-V測試的需求，本文基于無主柵太陽電池的電極結構，在避免產生遮光面積過大的同時，綜合考慮測試系統長期的穩定性與可靠性，提出一種適用于無主柵太陽電池且兼容多主柵太陽電池的I-V測試方案，該方案也可用于太陽電池EL測試。

1" 無主柵太陽電池I-V測試中接觸技術的解決方案

與針對常規主柵太陽電池的探針式I-V測試方案不同，無主柵太陽電池的I-V測試方案則要求夾具與細柵電極實現可靠接觸。針對這一挑戰，本文以測試導線（即夾具）代替上下探針排，上下夾具不僅均具備支撐功能，還可確保測試導線在長時間、高頻次的測試過程中保持壓力恒定；此外，其還具備緩沖功能，以補償太陽電池電極與上下導線組間距的不一致性，可以更加準確的實現電壓和電流值的采集，無主柵太陽電池測試夾具示意圖如圖1所示。

以該夾具進行無主柵太陽電池EL測試，結果如圖2所示，測試過程中測試導線與無主柵太陽電池可實現可靠接觸。

2" 無主柵太陽電池I-V測試準確性研究

太陽電池I-V測試包括2線制測試法和開爾文4線制（下文簡稱為“4線制”）測試法，但一般采用4線制測試法[4]。與2線制測試法相比，4線制測試法要求獨立測量正、負極線路的電壓和電流，通過電壓測試回路采集電壓，電流測試回路采集電流，以降低接觸電阻和導線電阻造成的壓降對測試結果的影響。2線制測試法采集電路示意圖如圖3所示，圖中：RL為電子負載；RIV為電壓測試回路和電流測試回路重合路徑上的等效電阻。

在2線制測試法中，電流流過時，等效電阻上產生壓降（其值為IRIV）會影響電壓表的讀數（其數值為VC–2IRIV，VC為太陽電池兩端電壓），此時壓降很明顯是因為流過測試回路重合路徑上的等效電阻的電流較大造成的，這會導致填充因子（FF）的測試結果偏小。

4線制測試法采集電路示意圖如圖4所示，圖中：RI為電流測試回路在太陽電池附近的等效電阻；RV為電壓測試回路在太陽電池附近的等效電阻。

由于電壓表接近斷路，雖然太陽電池附近的等效電阻未明顯變小，但所流過的電流很小，因此，產生的壓降也會很小。這意味著電壓表的讀數接近太陽電池兩端的電壓。在電流測試回路中太陽電池附近的等效電阻產生的影響，可以通過電源補償消除。因此，利用4線制測試法可以獲得較為準確的填充因子測試結果。

傳統探針排作夾具時既采集電壓又采集電流，1個探針排夾具通過彼此獨立的電壓針與電流針實現電壓值和電流值的采集。電壓針的布局對電壓值的準確采集至關重要，為實現電壓的準確采集，電壓針一般采用均勻密排的方案，電流針對亦是如此。而對于無主柵測試方案，單一測試導線只能實現電壓或電流值的單獨采集，為了實現4線制測試法，需要獨立引出電壓線與電流線，并需分別研究電流線與電壓線的布局方案對I-V測試的影響。

2.1" 電壓線位置對測試結果的影響

設置不同電壓線位置，對182 mm半片無主柵異質結（HJT）太陽電池進行I-V測試，測試結果如表1所示。

由表1可以看出：電壓線距離電流線越遠，其填充因子越高，光電轉換效率越高。其原因可通過電壓采集示意圖（如圖5所示）解釋：把1塊太陽電池劃分為若干個相同的小單元，單元之間的表面電阻是2R，藍色線條代表收集電流的導線。當電路沒有接通時，沒有電流，此時點①、點②、點③的電壓都等于開路電壓；電路接通瞬間，點①的電壓（V1）會拉低，會有一半的太陽電池單元的電流從點③流向點①；點②的電壓（V2）是點①的電壓加電流與電阻乘積的一半（即V1+IR/2），點③的電壓值（V3）為點①的電壓加電流與電阻的乘積（即V1+IR）；當正極電壓信號從點①采集時，測得的是正常的工作電壓；當正極電壓信號從距離電流線更遠的點②或點③采集時，測得的電壓值會偏高，導致測得的填充因子和光電轉換效率值增加。

光伏組件中的電壓線和電流線位于同一位置，為了測試結果與光伏組件實際工作狀態更匹配，電壓線應盡可能接近電流線，但不能導通，避免短路。在實際工程中，電壓線和電流線間距可設置為0.1～2.0 mm，這樣既可以確保測試結果的準確性，又具備較好可實施性，避免電壓線和電流線意外導通。

2.2" 電壓線數量對測試結果的影響

對182 mm半片無主柵HJT太陽電池進行I-V測試，設置電壓線數量從12根逐根減至1根。為保證測試過程中遮光面積的一致，僅斷開電壓線與I-V處理器的連接，從而實現電壓線數量的變化，測試結果如圖6所示。

從圖6可以看出：填充因子和光電轉換效率與電壓線數量之間為正相關關系，隨著電壓線數量的降低，光電轉換效率明顯降低，光電轉換效率與填充因子的變化趨勢基本一致。

出現這種趨勢的原因可以通過不同電壓線數量I-V采集示意圖（如圖7所示）解釋。圖7是在圖5中點③電壓的基礎上，增加導線a、b，用于采集多點電壓。

由于電壓表可等效為斷路，所以僅分析電流路徑的變化。與圖5對比，圖7最左側太陽電池單元的電流不僅可以通過原有的表面電阻（即2R）到達藍色導線，還可以經過導線a沿箭頭所示方向到達藍色導線，此段路徑的電阻僅為一半的表面電阻（即2R并聯后為R）。根據并聯電阻的原理，最左側太陽電池單元與藍色導線之間的總電阻值由2R減至2/3R；顯著降低了串聯電阻，相當于在太陽電池表面額外增加了柵線，所以其填充因子會隨著電壓線數量的增多大致呈上升趨勢。

為了使測試結果更貼近實際光伏組件電路特性，電壓線的數量應盡可能少，但太少的電壓線，不能代表整個太陽電池的電壓分布。如圖6b所示，在電壓線超過5根時，填充因子有較明顯的上升，此時所測得數據已偏離實際值，因此，建議電壓線的數量設置為2～5根。

2.3" 電流線數量對測試結果的影響

對182 mm整片無主柵TOPCon太陽電池分別進行采用上、下夾具的不同電流線數量下的I-V測試。電流線數量從87根減至17根（以10根為變化量），同時保持6根電壓線，與電流線間距為2 mm。

2.3.1" 上夾具電流線數量的影響

在下夾具電流線數量為87根保持不變的條件下，減少上夾具電流線數量，進行測試數據記錄，如圖8所示。

從圖8可以看出：上夾具電流線數量的變化與太陽電池的電性能參數存在明顯的相關性。其中，短路電流的變化幅度最大，圖8c中，隨著電流線的減少，遮光面積減少，短路電流呈線性增長趨勢，進一步引起了光電轉換效率的線性增長；圖8d中，開路電壓呈現出緩慢的上升趨勢，這是由于開路電壓與太陽輻照度存在弱正相關性[5]，在電流線減少的過程中，太陽輻照度是逐步變強，所以開路電壓會有小幅度的上升。

綜合分析以上結果，上夾具電流線的數量是影響I-V測試結果準確性的關鍵，主要是由于遮光的變化引起有效太陽輻照度的變化。在下夾具電流線數量比較多的情況下，上夾具電流線數量的降低對填充因子的影響較小，在0.1%上下波動。

2.3.2" 下夾具電流線數量的影響

在上夾具電流線數量為17根保持不變的條件下，減少下夾具電流線數量，進行測試數據記錄，如圖9所示。

從圖9看出：隨著下夾具電流線數量減少，太陽電池的光電轉換效率和填充因子的測試結果都呈現下降趨勢，但下降幅度較小，雖然從27根減至17根時，光電轉換效率下降了0.044%，差值高于靜態重復度0.02%，但仍在動態范圍0.05%以內；電流線數量從87根減至27根，光電轉換效率僅下降了0.025%，此變化仍在測試的動靜態重復性范圍內。隨著電流線數量減少，電流需要經過更長的路徑和更高的表面電阻才能導出，這相當于增大了太陽電池表面的串聯電阻，會導致填充因子下降。在上夾具電流線數量較少時（17根），若下夾具的電流線數量減少至一定數值時，會觀察到光電轉換效率和填充因子突然下降的情況，因此，為了保證測試結果的穩定性和可靠性，電流線數量不能太少。

綜合考慮，在上夾具電流線數量保持17根時，下夾具電流線數量從87根減至17根過程中，存在光電轉換效率和填充因子突然下降的情況。因此，建議電流線數量不少于25根，為了與實際光伏組件的電路特性更接近，可以使電流線的數目與光伏組件焊帶的數量一致。

3" 準確性、兼容性及其長期穩定性

3.1" 無主柵夾具與探針夾具對比

3.1.1" EL對比

通過EL圖像，對探針夾具和無主柵夾具測試方案在182 mm整片的16主柵TOPCon太陽電池上的應用效果進行對比。采用不同夾具的太陽電池EL圖像如圖10所示。

采用探針夾具方案時，由于主柵數量較多且安裝空間受限，而探針排數量僅為8根，導致探針排無法覆蓋全部主柵，太陽電池的EL圖像出現明暗不均的情況；此外，由于探針排遮擋面積占太陽電池面積的24%左右，可能掩蓋太陽電池的部分缺陷。采用無主柵方案時，測試導線可全面均勻地分布在太陽電池表面，且遮擋面積小，僅占太陽電池面積的4%，使太陽電池的EL圖像明暗均勻，說明測試導線與太陽電池的接觸充分可靠，能真實反映太陽電池的缺陷。

3.1.2" I-V數據對比

利用某計量機構提供的5片2級標片（整片尺寸為182 mm的16主柵TOPCon太陽電池），分別標定采用無主柵夾具的機臺和采用探針排夾具的機臺；然后在兩個機臺上分別測試這5片標片。將該計量機構提供的5片標片的I-V測試結果的平均值作為基準值，然后將采用兩種夾具時得到的I-V測試結果的平均值與基準值進行對比，得到相較于計量機構測試結果，采用不同夾具類型時的太陽電池電性能變化情況，如表2所示。表中：?Eff、?FF、?Isc、?Voc分別為5片太陽電池的光電轉換效率、填充因子、短路電流、開路電壓測試結果的平均值。不同方式得到的5片太陽電池的電性能測試結果如圖11所示。

從表2和圖11可以看出：相比于探針排夾具，無主柵夾具得到的測試數據更接近于計量機構提供的2級標片的測試數據，光電轉換效率差值僅為0.0229%，數據更為準確。這是由于對于多主柵太陽電池來說，探針排夾具覆蓋的主柵數量較少，且其對探針與焊盤的對位精度要求更嚴苛，微小的位置偏移都會影響串聯電阻和填充因子的準確測試，以及整體測試的穩定性；而無主柵夾具采用的是導線，其可以直接對太陽電池細柵進行全覆蓋接觸，無需對準主柵，電流、電壓的采集更加精準。

3.2" 兼容性

使用無主柵夾具測試方案對不同主柵數量，不同類型、規格、廠家的太陽電池進行動態重復度測試，測試步驟如下：

1）以10片相同類型太陽電池為1組，依次進行I-V測試。

2）10片太陽電池按順序依次循環進行4輪I-V測試，并記錄每片太陽電池的測試結果。

以每片太陽電池4輪測試中光電能轉換效率的最大值與最小值差值ΔEff，s來表征；動態重復度，其可表示為：

ΔEff，s=Eff，ma–Eff，mi" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Eff，ma為每片太陽電池4輪測試中的光電轉換效率的最大值；Eff，mi為每片太陽電池4輪測試中的光電轉換效率的最小值。

不同太陽電池的測試結果如表3所示，表中：ΔEff，s、?FFs、?Isc，s、?Voc，s分別為每片太陽電池4輪測試中光電轉換效率、填充因子、短路電流、開路電壓的差值。由表3可知：光電轉換效率差值極大值在0.04%以內，差值均值在0.02%左右，已滿足太陽電池生產線動態重復度小于0.05%的要求。

3.3" 長期穩定性

對無主柵夾具進行長期穩定性檢測，測試步驟如下：

1）采用全新無主柵夾具，以5片相同類型太陽電池為1組進行動態重復度測試，并記錄數據；2）對無主柵夾具進行不間斷的壓合測試，每間隔一段時間再進行動態重復度測試并記錄數據，檢測結果如圖12所示。

從圖12可看出：即使夾具壓合次數達到400

萬次之后，其穩定性仍然保持良好，光電轉換效率差值極大值控制在0.04%以內，光電轉換效率差值的均值維持在0.03%以內；在長期測試中，進行壓合測試的太陽電池未發生破碎，證明了無主柵夾具對太陽電池的物理損傷極小，在保證長期穩定性的同時，還能實現無損測試。

4" 結論

本文基于無主柵太陽電池的結構特征，提出I-V測試夾具方案，經過實驗驗證，該方案滿足無主柵太陽電池I-V測試準確性與可靠性要求，可兼容不同規格的多主柵太陽電池，且優于傳統探針排夾具方案，具有更優的測試準確性、穩定性與長期可靠性。動態重復度測試結果表明，該方案光電轉換效率差值控制在0.04%以內，滿足產業標準；長期穩定性測試達到400萬次壓合時，性能依舊穩定，且壓合測試的太陽電池無損傷，證明了夾具的高耐用性與對太陽電池的無損檢測能力。本方案適用于產業化和實驗室環境，為太陽電池性能評估提供了一種高效、可靠的測試工具。

［參考文獻］

[1] KRUSE C N，WOLF M，SCHINKE C，et al. Impact of contacting geometries when measuring fill factors of solar cell current-voltage characteristics[J]. IEEE journal of photovoltaics，2017，7（3）：747-754.

[2] RAJ S，WONG J，RAMPRASAD S，et al. Effective I-V measurement techniques for busbarless and multibusbar solar cells[C]//2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion （WCPEC） （A Joint Conference of 45th IEEE PVSC，28th PVSEC amp; 34th EU PVSEC）. Waikoloa，HI，USA，2018：3294-3297.

[3] BASSI N，CLERC C，PELET Y，et al. GridTOUCH：innovative solution for accurate I-V measurement of busbarless cells in production and laboratory environments[C]//European Photovoltaic Solar Energy Conference amp; Exhibition. Germany，Hamburg：2014.

[4] 王志明，張洪欣. 四線制測量在單體太陽電池測試系統中的應用[J]. 電子測量技術，2006，29（6）：12-13.

[5] 郭長興，沈娜，韓鳳琴，等. 太陽能光伏電池多參數輸出特性的研究[J]. 新能源進展，2017，5（2）：136-140.

RESEARCH ON TESTING CONTACT AND METHODS FOR BUSBARLESS SOLAR CELL ELECTRIC PERFORMANCE

Zhang Hexian，Sun Yue，Liu Jiao，Lei Xiaojun，Li Tao，Du Guoshuai

（Gsolar Power Co. Ltd.，Xi'an 710018，China）

Abstract：Gate line etallization has always been one of the key paths in the continuous process of improving efficiency and reducing costs in solar cells. The busbar structure of solar cells has undergone an evolution from the conventional 2～6 busbars scheme to the multi 12～24 busbars，and the busbarless scheme has also been introduced in the industry since 2022. The conventional probe array testing scheme in I-V testing is based on the probe collecting electrical performance parameters on the busbar to achieve I-V testing，which has a design mismatch with the busbarless scheme and cannot achieve I-V testing of busbarless solar cells. Therefore，our company has developed a testing system suitable for busbarless and multiple busbar，ensuring reliable contact between the testing fixture and the finger during the testing process，and achieving accurate testing of I-V characteristics. Meanwhile，through the optimal design of structure and materials，the reliability and stability of the overall testing system also meet the requirements of mass production testing.

Keywords：solar cell；busbarless；contacting；I-V measurement；industrialization feasibility

通信作者：劉皎（1988—），男，碩士、中級工程師，主要從事太陽電池I-V測試方面的研究。Liuj@gsola.cn