CN108092624A - 一种太阳能电池开路电压分布的检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池开路电压分布的检测装置，包括：太阳能电池片、光谱仪、光谱仪探头、光电探测器、光功率计、CCD照相机、遮光图形板、电流电压源、太阳能电池量子效率检测仪和计算机；CCD照相机置于太阳能电池片的表面，用于测量太阳能电池片的电致发光表面成像；光谱仪的探头置于太阳能电池片的表面，用于探测太阳能电池片的电致发光光谱；电流电压源的输出端与太阳能电池片连接；光电探测器置于太阳能电池片的表面，用于读取绝对电致发光强度或光功率；太阳能电池量子效率检测仪测量电池的外量子效率；CCD照相机与光谱仪的输出端均与计算机连接，根据绝对电致发光强度或光功率与太阳能电池片的外部量子效率以及电池内部电压的关系，得到电池表面开路电压的分布。本发明还公开了一种太阳能电池开路电压分布的检测方法。
Description
技术领域
本发明属于电池检测技术，涉及一种太阳能电池开路电压分布的检测装置及其检测方法。
背景技术
目前太阳能电池的开路电压检测方法是通过测量标准太阳光光照条件下电池的IV特性，取电流为零时的电压为电池的开路电压。但是此开路电压为电池的平均开路电压，由于实际的太阳能电池表面不均匀，如存在缺陷，因此将表面分为很多不同区域时每个区域的开路电压是不一致的，所以获取太阳能电池表面开路电压的分布更能细致地评价太阳能电池的特性。
因此，基于太阳能电池表面开路电压的分布，本发明提出了一种太阳能电池开路电压分布的检测装置及其检测方法。
发明内容
本发明提出了一种太阳能电池开路电压分布的检测装置，包括：太阳能电池片、遮光图形板、CCD照相机、光谱仪探头、光电探测器、光谱仪、光功率计、电流电压源、太阳能电池量子效率检测仪和计算机；所述遮光图形板置于所述太阳能电池片的表面，用于选择性透过所述太阳能电池片表面的电致发光区域；所述光谱仪探头置于所述遮光图形板的上方，用于探测所述太阳能电池片从所述遮光图形板透光图形部分的电致发光光谱；所述电流电压源的输出端与所述太阳能电池片连接；所述光电探测器置于所述遮光图形板的上方，用于读取所述太阳能电池片从所述遮光图形板透光图形部分的绝对电致发光强度或光功率，其输出端与所述光功率计的输入端相连；所述CCD照相机置于所述太阳能电池片的表面或所述遮光图形板的上方，用于读取所述太阳能电池的电致发光表面成像或者读取所述太阳能电池片从所述遮光图形板透光图形部分的电致发光表面成像；所述太阳能电池量子效率检测仪用于测量太阳能电池片的外部量子效率；所述CCD照相机与所述光功率计的输出端均与所述计算机连接，根据绝对电致发光强度及所述太阳能电池片的外部量子效率，得到开路电压的分布。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述光谱仪的波长检测范围覆盖所述太阳能电池片的电致发光发射光谱范围。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述光谱仪测量光谱的方式包括：利用光谱仪探头的探测、自由空间的光探测。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述光电探测器的波长检测范围覆盖所述太阳能电池片电致发光的发射光谱范围。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述遮光图形板上的漏光图形被所述光电探测器的有效光探测区域所覆盖。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述太阳能电池量子效率检测仪测量外部量子效率波长检测范围覆盖所述太阳能电池片的光谱响应范围。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，所述计算机所检测所述太阳能电池片的开路电压为以下公式表示：
其中V为电池内部电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷常数，R(I)为实验测得的绝对电致发光光子发射率，单位为photons/(s·cm2)，EQE为实验测得的太阳能电池外量子效率，<EQE>EL为电池在EL发射光谱的波长范围内的平均量子效率，为黑体辐射光谱的光子密度随光子能量的分布，h为普朗克常数，c为真空光速，Eg为电池的禁带宽度；太阳能电池工作条件下，Isun＝q∫EQE(E)SAM1.5(E)dE，Isun为在空气质量AM1.5的光谱条件下的电流密度，开路电压Voc即为I＝Isun时的电池内部电压。
本发明提出的所述太阳能电池开路电压分布的检测装置中，进一步包括设置于所述太阳能电池片底部的基板。
本发明还提出了一种利用所述检测装置的太阳能电池开路电压分布的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：利用所述电流电压源向所述太阳能电池片的电极施加电流；
步骤二：利用所述CCD照相机置于所述太阳能电池片的表面上方，以测量所述太阳能电池片的整个表面区域电致发光表面成像；
步骤三：利用所述遮光图形板置于所述太阳能电池片的表面上方，利用CCD照相机测量所述太阳能电池从所述遮光图形板透光图形区域的电致发光成像；
步骤四：将所述光谱仪探头置于所述遮光图形板的表面上方，利用所述光谱仪测量所述太阳能电池从所述遮光图形板透光图形区域的电致发光光谱，以确认发光波段；
步骤五：将所述光电探测器放置于所述遮光图形板的表面上方，通过所述光功率计读取所述太阳能电池从所述遮光图形板透光图形区域的绝对电致发光强度或发光功率；
步骤六：设置电流电压源输出正向电流大小为电池短路电流，依据步骤五使用所述光功率计测量太阳能电池对应的电致发光强度或发光功率；
步骤七：根据步骤五的绝对电致发光强度或发光功率以及步骤六的电致发光强度或发光功率对步骤三测量的太阳能电池表面部分相同区域电致发光成像进行绝对定标，得到此区域的绝对电致发光强度的成像或表面分布，并得到太阳能电池片整个表面区域的绝对电致发光强度的分布；
步骤八：利用所述太阳能电池量子效率检测仪测量所述太阳能电池片的外部量子效率及其随波长的变化关系；
步骤九：通过所述太阳能电池片的绝对电致发光强度与外部量子效率及电池的内电压之间的倒易关系得到如步骤六所述注入正向电流值为电池短路电流大小时所述太阳能电池片的表面电压即开路电压的分布。
本发明检测方法主要利用遮光板选择性测量太阳能电池电致发光透光区域，利用太阳能电池小块区域的CCD电致发光成像与绝对光强对整块太阳能电池的CCD电致发光成像进行绝对定标，能够达到获得电池表面的绝对开路电压分布的目的，对于目前普通IV测量只能得到太阳能电池的平均开路电压的方法是一个很好的补充。
附图说明
图1为本发明所述太阳能电池表面开路电压分布测试装置实施例的结构组成示意图。
图2为本发明所述太阳能电池表面开路电压分布测试原理图。
图3为CCD照相机测量的正向注入电流密度为25.3mA/cm2时单个GaAs太阳能电池电致发光成像图。
图4为CCD照相机测量的正向注入电流密度为25.3mA/cm2时遮光图形版透光图形区域的发光成像图。
图5为正向注入电流密度为25.3mA/cm2时GaAs太阳能电池电致发光光谱。
图6为GaAs太阳能电池外部量子效率随波长(nm)变化关系图。
图7为GaAs太阳能电池表面开路电压分布图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
参见图1，本发明的太阳能电池IV特性的检测装置包括：太阳能电池片2、遮光图形板3、CCD照相机4、光谱仪探头5、光电探测器6、光谱仪7、光功率计8、电流电压源9，太阳能量子效率检测仪10和计算机11。太阳能电池片2设置于金属制成的基板1表面；遮光图形板3置于太阳能电池片2的表面，用于选择性透过太阳能电池片2的电致发光区域；CCD照相机4置于太阳能电池片2的表面一定距离处，用于测量所述太阳能电池片2电致发光成像，或者置于遮光图形板3的表面一定距离处，用于测量太阳能电池片2透过遮光图形板部分的电致发光成像；光谱仪探头5置于太阳能电池片2的表面一定距离处，用于探测太阳能电池片2的电致发光光谱；光电探测器6置于遮光图形板3的表面一定距离处，用于测量太阳能电池片2透过遮光图形板部分的绝对电致发光强度或光功率，其输出端与光功率计8的输入端相连；电流电压源9的输出端与太阳能电池片2的两个电极连接；太阳能量子效率检测仪10测量太阳能电池片2的外量子效率；CCD照相机4与光谱仪7输出端均与计算机11连接，得到电致发光图像和发光光谱；利用太阳能电池片2从遮光图形板3透过部分区域的绝对电致发光强度对CCD照相机4测量的太阳能电池片2从遮光图形板3透过部分区域的电致发光成像进行绝对定标，得到此区域的绝对电致发光强度的成像或表面分布，进一步对CCD照相机4测量的太阳能电池片2整个表面区域的绝对电致发光强度进行定标，得到太阳能电池片2整个表面区域的绝对电致发光强度的分布；通过测量的太阳能电池片2的绝对电致发光强度的分布与测量的外部量子效率及电池的内电压之间的倒易关系得到电池片正向注入电流值为电池短路电流大小时电池片的表面电压即开路电压的分布。
CCD照相机4的波长测量范围覆盖太阳能电池片的电致发光光谱范围，用以测量太阳能电池电致发光成像。
光谱仪7的波长测量范围覆盖太阳能电池片2的光谱响应范围，用以测量太阳能电池电致发光光谱。
光电探测器6的有效光探测面积覆盖遮光图形板3的透光图形区域，且波长测量范围覆盖太阳能电池片2的整个发光光谱范围，用以测量太阳能电池绝对电致发光光强。
太阳能电池量子效率检测仪10为自行搭建的测量系统或者商业化的测量设备，用以测量所述太阳能电池片的外部量子效率及其随波长的变化关系，其外部量子效率波长检测范围覆盖太阳能电池片2的光谱响应范围。
计算机11主要包括数据采集及分析软件。用于采集CCD照相机4测量的成像图片及光谱仪7测量的光谱。
电池表面绝对光强分布如以下式(1)表示：
其中，Φ为光电探测器测得的的太阳能电池通过遮光图形板透光图形部分的绝对光强，Aj为CCD照相机测量的太阳能电池通过遮光图形板透光图形部分的每个像素单元的相对光强，Ai为CCD照相机测量的整个太阳能电池的每个像素单元的相对光强，φi为定标得到整个太阳能电池表面的每个像素单元的绝对光强。
电池的内部电压与绝对电致发光光强关系如以下式(2)表示：
其中，V表示电池内部电压，k表示玻尔兹曼常数，T表示开尔文温度，q表示电荷常数，R(I)表示电致发光光发射率，单位为photons/(s·cm2)，EQE表示外量子效率，<EQE>EL表示电池在EL发射光谱的波长范围内的平均量子效率，表示黑体辐射光谱的光子密度随光子能量的分布，h表示普朗克常数，c表示真空光速，Eg表示电池的禁带宽度。太阳能电池工作条件下，Isun＝q∫EQE(E)SAM1.5(E)dE＝25.3mA/cm2，Isun表示在空气质量AM1.5的光谱条件下的电流密度，即太阳能电池的短路电流密度，因此令式(1)中的I＝Isun时得到的电压即为电池的开路电压大小。
以下给出GaAs太阳能电池的表面开路电压分布的导出。
将单片GaAs太阳能电池按图1的方式连接，图1～3展示了本发明检测装置及检测方法。利用太阳能电池的正向导通特性，对太阳能电池片2注入电流，电流密度为25.3mA/cm2，产生辐射复合。利用CCD照相机测量得到如图3所示的GaAs电池的表面电致发光成像。在CCD照相机与太阳能电池中间插入一遮光图形板3，漏光部分为一0.25cm2的正方形窗口，利用CCD照相机4测量得到的漏光部分电池的表面电致发光成像如图4所示。利用光谱仪探头5及光谱仪7获得如图5所示的电致发光光谱，光谱的中心波长为874nm。移开光谱仪探头5，将光电探测器6平行放置于遮光图形板漏光部分上方，使光电探测器6探头部分完全覆盖漏光图形区域，测量漏光部分的绝对电致发光光强或发光功率。利用太阳能电池量子效率检测仪10测量太阳能电池片2的外部量子效率，得到如图6所示的太阳能电池外部量子效率随波长nm的关系。利用太阳能电池的绝对电致发光光强与电池的外部量子效率以及电池的内电压之间的倒易关系可以得到正向注入电流为25.3mA/cm2时电池的内电压，即开路电压的分布如图7所示。从图7可以看出，电池表面的开路电压是有一定的分布的即不同表面位置的开路电压大小不一致，而常规的IV测量方法只能得到电池的平均开路电压为0.995V，但无法得到表面开路电压分布的信息。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，包括：太阳能电池片(2)、遮光图形板(3)、CCD照相机(4)、光谱仪探头(5)、光电探测器(6)、光谱仪(7)、光功率计(8)、电流电压源(9)、太阳能电池量子效率检测仪(10)和计算机(11)；
所述遮光图形板(3)置于所述太阳能电池片(2)的表面，用于选择性透过所述太阳能电池片(2)表面的电致发光区域；
所述光谱仪探头(5)置于所述遮光图形板(3)的上方，用于探测所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形部分的电致发光光谱；
所述电流电压源(9)的输出端与所述太阳能电池片(2)连接；
所述光电探测器(6)置于所述遮光图形板(3)的上方，用于读取所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形部分的绝对电致发光强度或光功率，其输出端与所述光功率计(8)的输入端相连；
所述CCD照相机(4)置于所述太阳能电池片(2)的表面或所述遮光图形板(3)的上方，用于读取所述太阳能电池的电致发光表面成像或者读取所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形部分的电致发光表面成像；
所述太阳能电池量子效率检测仪(10)用于测量太阳能电池片(2)的外部量子效率；
所述CCD照相机(4)与所述光功率计(8)的输出端均与所述计算机(11)连接，根据绝对电致发光强度及所述太阳能电池片(2)的外部量子效率，得到开路电压的分布。
2.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述光谱仪(7)的波长检测范围覆盖所述太阳能电池片(2)的电致发光发射光谱范围。
3.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述光谱仪(7)测量光谱的方式包括：利用光谱仪探头的探测、自由空间的光探测。
4.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述光电探测器(6)的波长检测范围覆盖所述太阳能电池片(2)电致发光的发射光谱范围。
5.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述遮光图形板(3)上的漏光图形被所述光电探测器(6)的有效光探测区域所覆盖。
6.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述太阳能电池量子效率检测仪(10)测量外部量子效率波长检测范围覆盖所述太阳能电池片(2)的光谱响应范围。
7.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，所述计算机(11)所检测所述太阳能电池片的开路电压为以下公式表示：
其中V为电池内部电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电荷常数，R(I)为实验测得的绝对电致发光光子发射率，单位为photons/(s·cm2)，EQE为实验测得的太阳能电池外量子效率，<EQE>EL为电池在EL发射光谱的波长范围内的平均量子效率，为黑体辐射光谱的光子密度随光子能量的分布，h为普朗克常数，c为真空光速，Eg为电池的禁带宽度；太阳能电池工作条件下，Isun＝q∫EQE(E)SAM1.5(E)dE，Isun为在空气质量AM1.5的光谱条件下的电流密度，开路电压Voc即为I＝Isun时的电池内部电压。
8.如权利要求1所述的太阳能电池开路电压分布的检测装置，其特征在于，进一步包括设置于所述太阳能电池片(2)底部的基板(1)。
9.一种利用如权利要求1-8之任一项所述检测装置的太阳能电池开路电压分布的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用所述电流电压源(9)向所述太阳能电池片(2)的电极施加电流；
步骤二：利用所述CCD照相机(4)置于所述太阳能电池片(2)的表面上方，以测量所述太阳能电池的整个表面区域电致发光表面成像；
步骤三：利用所述遮光图形板(3)置于所述太阳能电池片(2)的表面上方，利用CCD照相机测量所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形区域的电致发光成像；
步骤四：将所述光谱仪探头(5)置于所述遮光图形板(3)的表面上方，利用所述光谱仪(7)测量所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形区域的电致发光光谱，以确认发光波段；
步骤五：将所述光电探测器(6)放置于所述遮光图形板(3)的表面上方，通过所述光功率计(8)读取所述太阳能电池片(2)从所述遮光图形板(3)透光图形区域的绝对电致发光强度或发光功率；
步骤六：设置电流电压源输出正向电流大小为电池短路电流，依据步骤五使用所述光功率计(8)测量太阳能电池对应的电致发光强度或发光功率；
步骤七：根据步骤五的绝对电致发光强度或发光功率以及步骤六的电致发光强度或发光功率对步骤三测量的太阳能电池表面部分相同区域电致发光成像进行绝对定标，得到此区域的绝对电致发光强度的成像或表面分布，并得到太阳能电池整个表面区域的绝对电致发光强度的分布；
步骤八：利用所述太阳能电池量子效率检测仪(10)测量所述太阳能电池片(2)的外部量子效率及其随波长的变化关系；
步骤九：通过所述太阳能电池片(2)的绝对电致发光强度与外部量子效率及电池的内电压之间的倒易关系得到如步骤六所述注入正向电流值为电池短路电流大小时所述太阳能电池片(2)的表面电压即开路电压的分布。
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Also Published As
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