太阳电池测试

1、太阳电池测试1 研究背景由于世界经济发展对能源的需求愈来愈大，能源危机已经成为全球共同关注的焦点。地球上煤、石油和天然气等能源储藏量有限，总有一天会被开采光。按照国际能源机构预测：按照目前的开采速度，全世界煤炭储存量只能够供人类使用 147 年，石油和天然气也将在 3060 年消耗殆尽。而且使用煤、石油和天然气造成的环境污染问题也日益严重：全球气候变暖，海平面不断上升，大气和水污染等，因此开发可持续利用的清洁绿色能源已成为国际上一个热门的研究课题。同有限的化石燃料相比，太阳能因其取之不尽，污染小和不受地域限制引起了人们的注意。预计在未来的100亿年里，太阳可以保持近似恒定的向外辐射太阳能。太阳

2、辐射出的总能量大约为 3.83×1026W，到达大气层外的辐射强度为1.376kW/m2，经过大气层吸收及空间粒子反射后，达到地球表面的辐射强度为 1kW/m2。如果能够有效的利用太阳辐射能量，并将它们应用于生活中的各个方面，人类将大大减少对化石燃料的依赖，同时也能够减少对环境的危害。太阳能来源于太阳内部的核聚变向外辐射的能量。太阳辐照到地球表面的能量，相当于人类现有能源所能提供能量总和的上万倍。近几十年来，太阳能技术得到了大多数国家的支持，正在向着各个方向蓬勃发展。因此，越来越多的人认为，无论是通过光热途径还是光伏途径，直接应用太阳能不可避免地将成为人类使用能源的方式，特别是，这种

3、方式将成为人类最终使用能源的重要组成部分。太阳能的利用方式繁多，其中最主要的思路是发电。将太阳能转换为电能的方式有两种：光热发电和光伏发电。光热发电对地域的要求高，要求必须受到较高的太阳辐射能，而光伏发电可以在任何有阳光的地方，将光能转换为电能，因此，光伏发电更具有研究的意义。太阳能电池板是光伏发电的核心部分，其原理是利用PN结的光生伏特效应，将太阳能所发出的光能转化为电能。目前，光伏市场上主流的电池是晶体硅电池，晶体硅电池技术成熟，价格低廉，占据了85%以上的市场，预计未来的5-10年，主导地位不会发生改变。同时，薄膜电池也因为其低价方面的优势，日益受到重视，预计到2013年，薄膜电池将于晶

4、体硅电池齐头并进。所以，现阶段对于太阳能电池的研究还是以晶体硅电池为主。在看到光伏产业光明前景的同时,我们也深为产品的质量溯源问题感到担忧。目前我国制造的光伏电池组件系统90%以上销往欧美市场,整个行业都已经与国际接轨。对于在其境内销售的产品,欧美地区有着严格的安全和性能方面的要求。太阳电池、组件的出口必须接受按照IEC标准进行的认证,从而规范光伏产品的品质。因此光伏产品要想打入国际市场,仅靠过硬的研发技术还不行,必须要先让产品通过德国莱茵,美国UL等机构的认证。但是这些检测认证不仅时间周期长费用高,而且由于使用的测试仪器,测试条件不同,使得测量的偏差较大。作为新兴的行业,太阳电池产品的种类和

5、性能变化非常快,与之相适应的太阳电池测试技术却没有相应跟上,因此必须尽快开展产品质量方面的计量标准化工作,开发出具有独立知识产权的标定方法,成为我国光伏市场健康发展的重要保证。加快落实太阳电池标准化,使太阳电池的量值得到统一成为等待解决的问题。太阳能电池板质量的优劣就决定了太阳能使用率的高低。就目前而言，太阳能电池板存在着易破碎、易隐裂以及转换效率不高等问题。为了保障太阳能电池板的品质，对其检测就成为了必要操作。2 太阳电池发展概况自 1839 年发现“光电伏打效应”以来，人类已经在利用太阳能上取得了长足的进步和发展。在上世纪 50 年代，由于在硅基上制作 P-N 结的实现，基于硅的电子学也不

6、断向前发展。1954 年，Chapin，Fuller 和 Pearson 制作出了第一块太阳能电池，当时的光电转换效率为 6%。但是由于太阳电池所展现出的广阔应用前景，随后各国相继投入大量人力和物力对太阳电池进行研究，使得太阳电池的性能不断得到提升。和传统的电力系统相比，太阳电池的生产成本太高，所以在商业领域中太阳电池没有得到广泛应用，但是在上世纪 50 年代到 60 年代，由于太阳电池的高可靠性和重量轻的特点，使得它在空间探索领域得到了广泛的应用。19 世纪 70 年代，主要依靠石油作为能源的西方国家爆发了能源短缺危机，触发了第二次世界大战以来最严重的全球经济危机，因此西方国家意识到了开发新

7、能源的重要性。在这段时期里，光伏能源成为研究的热点，科学家不断尝试各种材料，包括多晶硅，非晶硅以及薄膜材料等，并逐步改进太阳电池的生产工艺，希望能够减小太阳电池的成本并提高光电池的转换效率。进入上世纪 90 年代以后，由于能源和环境问题的日益突出，世界许多国家纷纷投入资金，加大对太阳电池的研发和应用。日本在 1992 年启动了“新阳光计划”，欧盟在 1995 年发表了能源政策绿皮书，两年后又通过了白皮书未来能源：可再生能源，在白皮书中，欧盟确定将可再生能源在一次能源中的比例从 1996 年的 6%提高到2010年的12%，美国也在 1997 年启动了“百万太阳能光伏屋顶计划”，所有这些措施都极

8、大促进了光伏产业的发展。2000 年以来，全球光伏电池产量每年以超过 30%的速度增长，近五年的平均增长率更是高达 55.2%。虽然受到金融危机的影响，但是在 2009 年，全球光伏电池产业增长率仍然超过 50%，达到 11.5GW。截止到 2009 年年底，全球太阳电池累计安装量已达到 24.5GW，目前光伏产业已经成为发展最快的产业。市场分析师预测在 2010年全球太阳电池产量将达到 15.2GW，2011年则将增加到19GW以上，到2020年我国太阳电池总装机量要达到30GWp。同时由于各国不断投入资金对太阳电池进行研发，极大提升了太阳电池的性能，并且降低了太阳电池的价格。2008 年，

9、Allen Barnett 等人设计出了转换效率高达 42.7±2.5%的太阳电池模块，但是到目前为止这种太阳电池还未投入商业使用。目前商用的硅太阳电池的光电转换效率为 15%25%，金属薄膜电池的效率为 5%20%，因此商用太阳电池转换效率还有很大的上升空间。国内利用太阳电池每产生一度电的成本，是煤炭发电成本的10倍以上。目前正在研究的多晶硅薄膜电池技术可以使太阳电池组件的成本降低至 1$/W 左右，而且其光电转换效率也可以达到 24%，在将来可能会得到大规模应用。在电池生产过程中，由于材料的不同以及生产工艺各异等因素的影响，各种不同类型电池的性能都不一样。为了确定太阳电池的特性参

10、数，以便对生产出的电池进行分选，同时分析不同的材料和生产工艺对太阳电池性能的影响，有必要开发一套电池检测设备来测试太阳电池的电性能。由于全球光伏电池产业增长迅速，因此也加大了对太阳电池检测设备的需求。市场调查显示：对于一条年产能为 25MW 的光伏电池生产线，应该配备一台太阳电池检测设备。2011年全球光伏电池产量将达到19GW，而且在未来十年内光伏产业都将会保持高速增长态势，因此太阳电池检测设备有着广阔的市场前景。太阳电池产业链可以分为硅原料、晶圆制造、单体太阳电池、太阳电池组件、PV 系统组装和 PV 周边通路等。一个完整的太阳电池测试解决方案包括印刷瑕疵测试，表面颜色测试和 I-V 特性

11、测试。印刷瑕疵检测采用定速取样技术可用于检测单体太阳电池表面缺陷，表面凸起，表面刮伤，线宽和断线等。颜色分类用于检测太阳电池表面颜色及均匀性，并可以反映镀膜厚度和制程变异所产生的颜色变化。I-V测试主要用来测试太阳电池在模拟光照下的特征参数，是太阳电池生产链中最重要和最常用的测试，直接反映了太阳电池的性能。目前国际上在太阳电池检测行业领先的公司有 SPIRE、BELVAL、SPECTTO-LAB 等公司。我国从上世纪 70 年代就投入了对太阳电池检测的研究，并确定了一套太阳电池检测规范，但是由于世界各国对太阳电池的量值不统一，因此，通过太阳电池国际对比活动，目前全球已经形成了一致的光伏计量标准

12、。3 太阳电池分类3.1 按结构分类：（1）同质结太阳电池：由同一种半导体构成的P-N结称为同质结，用同质结构成的太阳电池称为同质结太阳电池；（2）异质结太阳电池：由两个禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结，用异质结构成的太阳电池称为异质结太阳电池；（3）肖特基结太阳电池：利用金属半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池称为肖特基结太阳电池。目前已发展为金属氧化物半导体（MOS）、金属绝缘体半导体（MIS）太阳电池等；（4）复合结太阳电池：由两个或多个P-N结形成的太阳电池称为复合结太阳电池。3.2 按基体材料分类：晶体硅太阳电池：（1）单晶硅太阳电池；（2）多晶硅太阳电池；（3）带状硅

13、太阳电池。硅薄膜太阳电池：（1）非晶硅太阳电池；（2）微晶硅太阳电池；（3）多晶硅薄膜太阳电池；（4）纳米晶硅薄膜太阳电池。化合物太阳电池：（1）硫化镉太阳电池；（2）硒铟铜太阳电池；（3）碲化镉太阳电池；（4）砷化镓太阳电池；（5）磷化铟太阳电池。燃料敏化太阳电池。有机薄膜太阳电池。3.3 按用途分类：（1）空间太阳电池：指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。（2）地面太阳电池：指用于地面阳光发电系统的太阳电池。（3）光敏传感器。3.4 按发展进程分类：种类效率特点第一代太阳电池单晶硅25%（UNSW）商业化，效率高，成本高多晶硅16%-17%商业化，产品多样第二代太阳电池（薄膜太

14、阳电池）非晶硅13% 5%-8%价格低但有衰退染料敏化 DSSC12%价格很低但不稳定铜铟硒 CIS8%-12%铟是稀有金属有机 Organic6.5%柔性，但不稳定砷化镓 GaAs超过30%效率很高，价格贵第三代太阳电池量子点太阳电池概念理论极限效率高达68%热载流子太阳能电池概念4 太阳电池工作原理太阳电池截面图光伏效应的产生：1、有光（太阳光、单色光或者模拟太阳光等）照射在太阳电池表面上；2、半导体吸收一定能量的光子，激发出电子-空穴对，并且在被分离前不会复合消失；3、电子-空穴在耗尽区的静电场中被分离， 光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电

15、动势，即光生电压。4、在太阳电池两侧引出电极，并接上负载，在外电路中就有电流产生。单个太阳电池可以看作是一个两端的元件，无光照时等效为一个二极管，电池内的载流子漂移运动和扩散运动相抵消，因此电池不向外输出电流。一旦加上光照，当光子的能量大于半导体的禁带宽度Eg时，便会在电池内产生非平衡载流子，当 P 区产生的光生电子扩散至空间电荷区边界时，便会在内建电场的作用下移动到 N 区，同时 N 区的光生空穴也会在内建电场的作用下移动到 P 区，这样就在电池两端形成了电势。由于在材料表面涂上了减反射膜，太阳电池表面通常呈现深蓝色，减反射膜增加了光的吸收，其厚度为电池光谱响应峰值波长的四分之一。通常用铝浆

16、涂在太阳电池表面制作大面积的金属正电极。受到光照时，单体太阳电池能够产生 0.51V 的光伏电压，单个太阳电池产生的电压过小，输出功率偏低，无法适应工业使用。为了得到足够大的输出电压和输出功率，在商业使用中，可以将多个单体太阳电池通过并联和串联的方式进行组合并封装成一个组件，这样便可以提高太阳电池的输出电压和输出电流，从而满足商业需求，可以根据需要决定一个组件中单体电池的数目，从而得到所需的输出电压和输出电流。在实际使用过程中，可以使用各种算法对组件的最大功率点进行跟踪，保证太阳电池工作在最大功率点。在一个太阳电池阵列中，由于某种原因可能导致组件中单个太阳电池被遮挡而无法受到光照，太阳电池便无

17、法对外输出能量，此时太阳电池相当于一个负载，工作时发热量较大，可能造成单个组件温度过高而出现热斑。热斑的形成会造成焊点的熔化和栅电极的损毁，因此在制作太阳电池阵列时，为了避免热斑造成的危害，可以在太阳电池组件的每个单体太阳电池正负极之间增加旁路二级管，给被遮蔽的单体太阳电池提供电流支路，同时也不会对正常工作的太阳电池产生不利的影响。单二极管模型太阳电池等效电路5 太阳能辐射与吸收太阳照射地面时，一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，只有约70%的光线能透过大气层，以直射或散射光到达地球表面，到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另一部分又被反射回大气层。在地球大气层之外，地球太阳平均

18、距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本上为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量零辐射（air mass-zero radiation，记作AM0）,此时辐射值为1.353KW/m2。阳光穿过地球大气层时，至少衰减了30%。造成衰减的原因是：（1）瑞利散射或大气中的分子散射。这种散射对所有波长的太阳光都有作用，但对短波长的光散射最强；（2）悬浮微粒和灰尘引起的散射；（3）大气，特别是其组成气体氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。大气质量(Air Mass)被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。 则任一地点

19、的 “大气质量”定义为太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X。大气质量由下式给出：式中表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为1。“大气质量”量化了太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响程度。当=0时，大气质量为AM1，是典型晴天太阳光垂直照射到地球表面的情况。当=48.2°时，大气质量为AM1.5，是典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2。AM0，是太阳光在宇宙空间中，照射到日-地平均距离处的情况，其辐射强度为太阳常数（1353W/m2）。与地球大气层外的情况相反，地面阳光的强度和成分变化都

20、很大。而太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了对不同时间和不同地点时测得的太阳能电池的性能进行有意义的比较，就必须确定一个标准，然后参照标准进行测量。人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。通常，AM1.5的标准光谱用于地面太阳能电池和组件效率测试时的标准。AM0标准光谱用于太空中太阳能电池测试的标准。6 太阳能电池测试系统的分类与组成根据太阳能电池的室内实验室测试和户外阳光下测试，可以将太阳能电池测试系统分为实验室测试系统和户外测试系统。两类测试系统的测试项目与测试方法基本相同，只是在光源的选取和测试条件上存在一些差异。实验室测试系统必须工作在IEC规定的

21、标准测试条件下，1000W/m2的总辐照度，25±2°C的温度，AM1.5的太阳光谱；户外测试系统则需要选择合适的测试场所（例如建筑物数目少，不要有阳光反射和阴影的地方），太阳能电池应向着太阳，如果是对太阳能电池进行标定的，还需要将测试结果修正到标准条件。实验室测试系统与户外测试系统的主要区别在于光源部分，前者一般以太阳模拟器作为光源，后者则是直接以太阳光作为光源。因此，太阳能模拟器的性能将直接影响实验室测试系统的测试性能，如果太阳模拟器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。太阳能电池测试系统一般包括光源，标准

22、电池，电池固定装置，负载电阻，温度计，数据采集、记录及显示模块等。一定照度的光源照射在太阳能电池表面上，使其产生电能；标准电池用于测量光源的辐照度，作为被测电池的参考；电池固定装置用于安装太阳能电池以及调整其正对光源；负载电阻接在电池的外围电路上，形成回路，通过改变电阻大小来改变太阳能电池的输出特性，目前很多测试系统都采用电子负载作为负载电阻；温度计用于测量太阳能电池的背表面温度，以达到标准测试条件的要求；数据采集、记录及显示模块能够完成太阳能电池的输出电压、输出电流的采集以及 V-I 特性曲线的显示等。目前，太阳能电池测试系统已经可以将这些模块统一集成于控制柜中，不仅使测试系统的外形更加美观

23、，也使测试工作更加方便快捷。7 太阳能电池测试原理7.1 伏安特性测试原理太阳能电池的测试主要是对各个性能参数的测试，包括短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、光电转换效率、填充因子等。(1)短路电流Isc端电压为0时，通过太阳能电池的电流称为短路电流，通常用Isc表示。它是伏安特性曲线与坐标轴纵坐标的交点所对应的电流。短路电流Isc的大小与太阳电池的面积有关，面积越大，Isc也越大，一般 1cm2单晶硅太阳能电池的Isc为16-30mA。短路电流Isc是描述太阳能电池性能的重要指标之一。令UL=0，代入:IL=Iph-I0exp(qUL/AKT)-1得短路电流: Is

24、c=Iph（2）开路电压Uoc太阳能电池在空载时的端电压，称为开路电压，通常用Uoc 表示。它是伏安特性曲线与坐标轴横坐标的交点所对应的电压，也是描述太阳电池性能的一个重要参数。太阳能电池的开路电压与面积大小无关，一般情况下，单晶硅太阳能电池的开路电压约为 450-600mV，最高也可达 700mV。Uoc=(1/ß)lnIsc/I0+1式中：ß、I0是常数。（3）伏安特性曲线理想状态下的太阳能电池伏安特性曲线如图：太阳能电池的伏安特性曲线是指太阳能电池在负载阻值0变化到时输出的电压与电流值之间的关系。在运用电子负载进行实验测试时，只需将电子负载调节在恒压模式，设定太阳能的

25、输出电压从 0 变化到开路电压Uoc，记录数据，即可得到伏安特性曲线。如下图所示，根据太阳能电池 I-U 特性曲线和P-U 特性曲线就可以得出太阳能电池的最大功率点，最大功率点电压、电流，转换效率以及填充因子等参数。（4）最大输出功率Pm太阳能电池伏安特性曲线中最大功率所对应的点，通常用Pm表示，表达式可以写作：Pm=UmIm（5）最佳工作电压Um太阳能电池伏安特性曲线中最大功率点所对应的电压，通常用Um表示。（6）最佳工作电流Im太阳能电池伏安特性曲线中最大功率点所对应的电流，通常用Im 表示。（7）光电转换效率太阳能电池将光能转换成电能的最大输出功率，与入射到其表面上的全部辐射功率的百分比

26、，称为太阳能电池的光电转换效率，即：=(ImUm）/(AtPin)（8）填充因子FF填充因子是表征太阳能电池性能优劣的一个重要参数，是检验太阳能电池性能的重要依据。通常把太阳能电池的最大输出功率，与太阳能电池开路电压和短路电流的乘积之比，作为填充因子，用 FF 表示，即：FF=(ImUm)/(IscUoc)其中IscUoc是极限输出功率，ImUm是最大功率。7.2 影响因素条件下的测试原理太阳能资源虽然有着丰富、清洁、无需运输的优点，但也存在能量密度低、间断性和不稳定性的缺点光伏电站在实际发电过程中，会有很多影响太阳能电池输出功率的因素，主要有：光照强度、温度、阴影等。为了明确这些因素对太阳能

27、电池实际输出功率的影响情况，需要在各个影响因素下对太阳能电池进行测试。对于多因素的问题，在测试过程中应采用控制变量法，每次仅改变一个影响因素，保持其他参数不变进行测试，对比后可得出结论。在实验室测试中，光强的强弱可以很容易改变，然而在户外测试中，光强的改变不可能依靠太阳的东升西落来实现，而可以通过改变太阳能电池的安装角度来改变入射到太阳能电池表面的光照强度；负载类型的影响测试则可以通过调节直流电子负载来实现；温度的测试需要得到的是相同照度且不同温度下的测试结果，数据采集相对比较困难，需要长时间的数据积累；对于阴影的测试，同样存在阴影面积的实际大小难以控制的问题，因此在实验中可以考虑利用已知面积的卡片覆盖进行测试以及说明。最后根据相关测试结果，结合投入成本等因素，可以在光伏电站的选址、安装、运行等过程中，确定是否有必要采取相应的措施以及如何采取措施。8. 太阳电池国内外研究现状 在国外市场，太阳能电池板测试仪已经得到广泛应用，有多家研究机构正在对其进行研究，并且有许多公司已经生产出比较成熟的系列产品。知名的科研机构有：夫琅和费太阳能系统协会、国际新能源研究中心和意大利光伏工业协会等。国外优秀