CN108462470B - 一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，具体为选择一片微缺陷太阳电池封装成组件样品，测试样品在两个正向偏压下的暗锁相热成像图像，对图像进行灰度分析，计算局部暗饱和电流密度和理想因子；建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型；进而计算局部串联电阻和并联电阻；再利用局部串联电阻、理想因子、暗饱和电流、并联电阻，采用光束诱导电流法获得局部短路电流，结合电池单二极管等效电路模型，求解局部IV曲线。设计实验，比较分析直接测试的电池局部IV性能与计算获得的IV性能，对计算模型进行验证与修订。本发明能够将问题电池进行分类与筛选，分析缺陷引起的衰减与失效机理，减少光伏组件失效情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，属于光伏组件分析测试技术领域。
背景技术
光伏组件与电池缺陷的准确检测对于其可靠性控制十分重要。近年研究人员也逐步完善基于电致和光致发光(EL/PL)、锁相热成像(LIT)图像处理的微缺陷检测技术。林剑春等研究解决电致发光缺陷检测仪的成像性能问题，提出了光伏组件快速有效的检测方案。鲁伟明等研究发现反向电致发光为高强度下载流子的带内发光，通过反向电致发光可以检测线性漏电和击穿缺陷。结合光子发射微光显微镜(PEM)对电池内部结构缺陷的高倍成像，Breitenstein等使用EL与LIT对晶体硅太阳电池进行了检测，从材料和工艺的角度把电池漏电缺陷分为硅材料中晶体缺陷、铸造多晶硅时引入的杂质微粒、电池边缘旁路与裂纹、烧结温度过高产生肖特基结几类。以上报道的研究工作显示，对缺陷电池采用电致发光与暗锁相红外 (DLIT)测试，进行数字图像处理，可识别出晶硅电池缺陷，并计算出缺陷的面积、周长等缺陷特征，结合PEM等测试，可进一步分析产生缺陷的材料与工艺因素，实现缺陷的定性识别与判断。
太阳电池缺陷的检测与识别能够将问题电池进行分类与筛选，进一步分析缺陷引起的衰减与失效机理则需要对缺陷处电性能进行研究。采用光束诱导电流(LBIC)测量的缺陷密集区域硅光生电流特性，可分析电池缺陷对局部复合分布的影响，但其对电池局部并联、串联电阻及反偏特性等量化分析存在一定局限。近年在电池缺陷定性识别的基础上，一些研究学者通过图像检测方法分析太阳电池的局部性能，Barker等研究了电池正向电致发光强度与电池的串联电阻和少数载流子的扩散长度相关性。Bachmann等使用光致发光成像、缺陷映射和热成像来表征局部和完整的晶体硅太阳电池，以获得缺陷分布和局部电压特性。基于电致发光的太阳电池局部电压、串联电阻研究，以及基于锁相热成像的太阳电池局部电流研究已经开始受到关注，然而通过无损方式精确确定光伏组件缺陷处局部IV性能曲线的问题仍未得到很好解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，采用光束诱导电流与电致发光、锁相红外结合的方法分析计算电池缺陷完整IV曲线，对太阳电池缺陷局部性能的检测与识别。
为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，包括以下步骤：
1)选择一片微缺陷太阳电池与EVA、背板、玻璃材料封装成太阳电池片组件样品，引出正、负电极；
2)采用太阳模拟器测试单片太阳电池片组件样品标准状况及不同辐照强度下的IV性能，得到相应的短路电流Isc、开路电压Voc、串联电阻Rs和并联电阻值Rsh；
3)采用导热胶将单片太阳电池片组件样品粘结在可调温加热板上，加热板与太阳电池片组件样品电绝缘，待太阳电池片组件样品温度稳定后，在带有遮光帘的暗室进行锁相红外热像测试与电致发光测试，计算太阳电池片组件样品局部的IV性能，测试过程从25℃开始，每5℃测试一次，测试至200℃，具体测试如下：
31)采用锁相红外热成像测试设备，拍摄步骤1)所制备的太阳电池片组件样品在两个正向偏压下的暗锁相热成像图像，根据缺陷分析需要，将太阳电池片组件样品平均分成n个区域，利用图像软件得到不同偏压下每个区域所对应的锁相热成像局部热信号幅值Ti U，i为位置索引，i＝1,2,3……n；根据在不同正向偏压下锁相热成像局部热信号幅值与局部功率密度成比例，分别利用公式(1)和(2)得到区域i的暗饱和电流密度J0i和理想因子ni；
其中，U1、U2分别为施加的两个正向偏压，Ib为正向偏压为U2下整个太阳电池片组件样品的电流，分别为两个正向偏压下太阳电池片组件样品锁相热成像区域i的热信号幅值，为偏压U2下整个太阳电池片组件样品的平均热信号幅值，Acell为整个太阳电池片组件样品面积；
其中，k为玻尔兹曼常数，T为整个太阳电池片组件样品的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数；
32)参考太阳电池单二极管等效电路模型，根据硅太阳电池发射的电致发光强度与样品内的过量载流子密度成正比的关系，建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型，具体如下：
其中，Li为区域i的电致发光强度，Ci为区域i的校准系数，Ui为区域i的电压，Ut＝(k*T)/q为热电压；
33)根据步骤31)确定的区域i的暗饱和电流密度J0i和步骤32)确定的区域i的电压Ui，利用公式 (4)得到太阳电池片组件样品区域i的电流密度Ji，然后利用公式(5)进而计算得到区域i的串联电阻Rs,i：
其中，U为整个太阳电池片组件样品施加的正向偏压，Ii为区域i的电流，Ai为区域i的区域面积；
34)根据步骤2)确定的太阳电池片组件样品标准状况下的串联电阻Rs和步骤32)确定的区域i的电压Ui，利用公式(6)得到太阳电池片组件样品区域i的并联电阻Rsh,i：
35)利用光束诱导电流法获得局部短路电流密度Jsc；
36)采用单二极管等效电路模型，利用五参数法进一步获得太阳电池片组件样品局部的IV曲线；
4)根据步骤33)获得的局部电流密度和局部串联电阻、步骤32)获得的局部电压值、步骤34)获得的局部并联电阻，建立缺陷区域局部电流、局部电压、局部串阻、局部并阻变化百分比与对应测试点温度的函数关系，分析不同微缺陷电池局部电性能随温度变化规律；
5)设计实验对所计算的太阳电池片组件样品局部IV性能与实际测试的太阳电池片组件样品局部IV 性能进行比较，具体如下：将单片晶体硅电池片切割成n小片，每小片电池片单独引出正、负极，这样每小片电池片的IV性能能够通过太阳模拟器直接测试出，再将小片电池片并联一起，采用所述步骤1)至4) 计算每小片电池片的IV性能，也就是太阳电池片组件样品局部的IV曲线，与太阳模拟器直接测试出的结果进行对比，分析两种方法的数据差异原因，进而修正。
前述的步骤1)中，微缺陷太阳电池是指由于金属杂质聚集以及刻蚀工艺造成的局部漏电的太阳电池或者光伏组件制造与应用过程中机械应力产生的微裂纹的太阳电池或者低纯硅材料与背接触电极工艺引起的低并联电阻的太阳电池。
前述的步骤32)中，区域i的校准系数Ci的求解过程如下：先给太阳电池片组件样品施加一个0.3V-0. 52V范围的正向偏压U1，此时Ui＝U1，测量此偏压下的Li，根据公式(3)计算得到相应的Ci值。
前述的步骤32)中，区域i的电致发光强度Li的计算过程如下：利用便携式电致发光测试仪，在步骤 1)所制备的太阳电池片组件样品施加不同的正向偏压，得到不同偏压下的电致发光图像，选择高正向偏压下的电致发光图像，采用图像处理软件得到该图像的区域i的像素点的灰度值，该灰度值即定义为区域i 的电致发光强度Li。
前述的步骤35)中，局部短路电流密度Jsc的求解方法为：通过使用具有不同激发波长λ的光源，生成SR-LBIC图；将光束聚焦到一个点并在被测短路太阳电池上扫描，通过附加的光谱响应测量，将局部感应电流缩放到外部量子效率EQE；然后将不同波长下的局部EQE逐节点插入SR-LBIC图，通过光谱积分得到局部短路电流密度Jsc。
前述的步骤36)中，局部IV曲线的获取如下：
将步骤31)获得的区域i的暗饱和电流密度和理想因子、步骤33)获得的区域i的串联电阻、步骤34) 获得的区域i的并联电阻和步骤35)获得的局部短路电流密度，代入太阳电池的输出特性方程(7)，运用 Matlab软件模拟获得太阳电池片组件样品局部的IV曲线：
其中，I0i＝J0iAi，令Iph,i等于Isc，Isc＝JscAi。
本发明所达到的有益效果为：
本发明采用光束诱导电流(LBIC)与电致发光、锁相红外结合可测量分析电池缺陷完整IV曲线，通过该太阳电池缺陷局部性能的检测与识别，能够将问题电池进行分类与筛选，分析缺陷引起的衰减与失效机理，减少光伏组件失效情况，提升光伏组件整体可靠性。
附图说明
图1为本发明的太阳电池局部IV性能测试方法流程图；
图2为太阳电池局部IV性能测试实验设计结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法的具体步骤如下：
1)选择一片微缺陷单片太阳电池与EVA、背板、玻璃等材料封装成小组件样品(下述统称太阳电池片组件样品)，引出正、负电极。微缺陷太阳电池具体为以下几种缺陷：①金属杂质聚集以及刻蚀等工艺造成的电池局部漏电；②光伏组件制造与应用过程中机械应力产生的电池微裂纹；③低纯硅材料与背接触电极工艺等引起的电池低并联电阻。
2)采用太阳模拟器测试单片太阳电池片组件样品标准状况(1000W/m2光强，25℃，AM1.5光谱)及不同辐照强度下的IV性能，得到相应的短路电流Isc、开路电压Voc、串联电阻Rs和并联电阻值Rsh。
3)采用锁相红外热成像测试设备，拍摄步骤1)所制备的太阳电池片组件样品在两个正向偏压下的暗锁相热成像图像，根据缺陷分析需要，将太阳电池片组件样品平均分成n个区域，利用设备专用的图像软件(如Matlab，photoshop等)得到不同偏压下每个区域所对应的锁相热成像局部热信号幅值Ti U，i为位置索引(i＝1,2,3……n)。根据在不同正向偏压下锁相热成像局部热信号幅值与局部功率密度成比例，分别利用公式(1)和(2)得到太阳电池局部IV特性的暗饱和电流密度和理想因子ni；
式中，J0i是局部暗饱和电流密度，U1、U2分别为施加的两个正向偏压，Ib为正向偏压为U2下整个太阳电池片组件样品的电流，分别为两个正向偏压下太阳电池片组件样品锁相热成像局部热信号幅值，为偏压U2下整个太阳电池片组件样品的平均热信号幅值，Acell为整个太阳电池片组件样品面积；
式中，k为玻尔兹曼常数，T为电池片温度，采用开尔文温度，q为电荷常数。
4)参考太阳电池单二极管等效电路模型，根据硅太阳电池发射的电致发光强度与样品内的过量载流子密度成正比的关系，建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型。具体过程如下：太阳电池局部电压与电致发光强度的关系为：
式中，Li为局部电致发光强度，Ci为校准系数，Ui为局部电压，Ut＝(k*T)/q为热电压，k为玻尔兹曼常数，一般为1.38×10-23J/K，T为电池片温度，采用开尔文温度，q为电荷常数，一般为1.6×10-19C，i为位置索引(i＝1,2,3……n)。
先给太阳电池片组件样品施加一个较小正向偏压U1(0.3-0.52V)，此时Ui＝U1，测量此偏压下的Li，得到Ci值；然后给电池片施加较大正向偏压(0.52-0.75V)，测出其Li值，利用公式(3)和上述得到的 Ci值确定电池局部电压Ui。
5)利用便携式电致发光测试仪，在步骤1)所制备的太阳电池片组件样品施加不同的正向偏压，得到不同偏压下的电致发光图像，并计算相应偏压下的电致发光强度。电致发光强度的计算方法为：选择高正向偏压下的电致发光图像，采用图像处理软件得到该区域像素点的灰度值，该灰度值即定义为电致发光图像的电致发光强度L。然后，按照该计算方法，计算局部电致发光强度Li，i为位置索引(i＝1,2,3……n)，再根据步骤4)中电池局部电压的计算模型，即式(3)，由电致发光图像得到不同施加偏压下的太阳电池局部电压值Ui。
6)根据步骤3)确定的太阳电池局部暗饱和电流密度J0i和步骤5)确定的局部电压值Ui，利用公式 (4)得到太阳电池局部电流密度Ji，然后利用公式(5)进而计算得到每个区域的局部串联电阻Rs,i：
式中，U为整个电池片施加的正向偏压(选择的是高正向偏压下值)，Ii为太阳电池片位置i处的电流，Ai为电池片位置i处的区域面积。
7)根据步骤2)确定的电池组件样品标准状况下的串联电阻Rs和步骤5)确定的太阳电池局部电压值 Ui，利用公式(6)得到太阳电池局部并联电阻Rsh,i。
8)利用光束诱导电流(LBIC)法获得局部短路电流密度Jsc，具体方法为：通过使用具有不同激发波长λ的光源，可以生成光谱分辨(SR-)LBIC图。将光束聚焦到一个点并在被测短路太阳电池上扫描，通过附加的光谱响应测量，可以将局部感应电流缩放到外部量子效率EQE。然后将不同波长下的局部EQE 逐节点插入光谱分辨(SR-)LBIC图，通过光谱积分得到局部短路电流密度Jsc。
9)采用单二极管等效电路模型，利用五参数法进一步获得太阳电池片局部的IV曲线；具体过程如图 1所示，将步骤3)获得的局部暗饱和电流密度与局部理想因子、步骤6)获得的太阳电池局部串联电阻、步骤7)获得的局部并联电阻和步骤8)获得的局部短路电流密度，代入太阳电池的输出特性方程(7)，运用Matlab软件模拟获得太阳电池片组件样品局部的IV曲线：
式中，I0i＝J0iAi，Iph,i近似为Isc，Isc＝JscAi，Ai为电池片局部区域面积。
10)采用导热胶将单片太阳电池片组件样品粘结在可调温加热板上，加热板与太阳电池片组件样品电绝缘，待太阳电池片组件样品温度稳定后，在带有遮光帘的暗室进行锁相红外热像测试与电致发光实验，从25℃开始，每5℃测试一次，测试至200℃。根据步骤6)获得的局部电流密度和局部串联电阻、步骤5) 获得的局部电压值、步骤7)获得的局部并联电阻，建立缺陷区域局部电流、局部电压、局部串阻、局部并阻变化百分比与对应测试点温度的函数关系，分析不同微缺陷电池局部电性能随温度变化规律。
11)设计实验对图像法模型计算的电池局部IV性能与实际测试的电池局部IV性能进行比较。如图2 所示，将单片晶体硅电池片切割成n小片，每小片电池单独引出正、负极，这样每小片电池的IV性能可以通过太阳模拟器直接测试出，再将小片电池并联一起，采用上述的图像法计算每小片电池IV性能，与太阳模拟器直接测试出的结果进行对比，分析两种方法的数据差异原因，进而修正与完善图像法模型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择一片微缺陷太阳电池与EVA、背板、玻璃材料封装成太阳电池片组件样品，引出正、负电极；所述微缺陷太阳电池是指由于金属杂质聚集以及刻蚀工艺造成的局部漏电的太阳电池或者光伏组件制造与应用过程中机械应力产生的微裂纹的太阳电池或者低纯硅材料与背接触电极工艺引起的低并联电阻的太阳电池；
2)采用太阳模拟器测试单片太阳电池片组件样品标准状况及不同辐照强度下的IV性能，得到相应的短路电流Isc、开路电压Voc、串联电阻Rs和并联电阻值Rsh；
3)采用导热胶将单片太阳电池片组件样品粘结在可调温加热板上，加热板与太阳电池片组件样品电绝缘，待太阳电池片组件样品温度稳定后，在带有遮光帘的暗室进行锁相红外热像测试与电致发光测试，计算太阳电池片组件样品局部的IV性能，测试过程从25℃开始，每5℃测试一次，测试至200℃，具体测试如下：
31)采用锁相红外热成像测试设备，拍摄步骤1)所制备的太阳电池片组件样品在两个正向偏压下的暗锁相热成像图像，根据缺陷分析需要，将太阳电池片组件样品平均分成n个区域，利用图像软件得到不同偏压下每个区域所对应的锁相热成像局部热信号幅值Ti U，i为位置索引，i＝1,2,3……n；根据在不同正向偏压下锁相热成像局部热信号幅值与局部功率密度成比例，分别利用公式(1)和(2)得到区域i的暗饱和电流密度J0i和理想因子ni；
其中，U1、U2分别为施加的两个正向偏压，Ib为正向偏压为U2下整个太阳电池片组件样品的电流，分别为两个正向偏压下太阳电池片组件样品锁相热成像区域i的热信号幅值，为偏压U2下整个太阳电池片组件样品的平均热信号幅值，Acell为整个太阳电池片组件样品面积；
其中，k为玻尔兹曼常数，T为整个太阳电池片组件样品的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数；
32)参考太阳电池单二极管等效电路模型，根据硅太阳电池发射的电致发光强度与样品内的过量载流子密度成正比的关系，建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型，具体如下：
其中，Li为区域i的电致发光强度，Ci为区域i的校准系数，Ui为区域i的电压，Ut＝(k*T)/q为热电压；
33)根据步骤31)确定的区域i的暗饱和电流密度J0i和步骤32)确定的区域i的电压Ui，利用公式(4)得到太阳电池片组件样品区域i的电流密度Ji，然后利用公式(5)进而计算得到区域i的串联电阻Rs,i：
其中，U为整个太阳电池片组件样品施加的正向偏压，Ii为区域i的电流，Ai为区域i的区域面积；
34)根据步骤2)确定的太阳电池片组件样品标准状况下的串联电阻Rs和步骤32)确定的区域i的电压Ui，利用公式(6)得到太阳电池片组件样品区域i的并联电阻Rsh,i：
35)利用光束诱导电流法获得局部短路电流密度Jsc；
36)采用单二极管等效电路模型，利用五参数法进一步获得太阳电池片组件样品局部的IV曲线；
4)根据步骤33)获得的局部电流密度和局部串联电阻、步骤32)获得的局部电压值、步骤34)获得的局部并联电阻，建立缺陷区域局部电流、局部电压、局部串阻、局部并阻变化百分比与对应测试点温度的函数关系，分析不同微缺陷电池局部电性能随温度变化规律；
5)设计实验对所计算的太阳电池片组件样品局部IV性能与实际测试的太阳电池片组件样品局部IV性能进行比较，具体如下：将单片晶体硅电池片切割成n小片，每小片电池片单独引出正、负极，这样每小片电池片的IV性能能够通过太阳模拟器直接测试出，再将小片电池片并联一起，采用所述步骤1)至4)计算每小片电池片的IV性能，也就是太阳电池片组件样品局部的IV曲线，与太阳模拟器直接测试出的结果进行对比，分析两种方法的数据差异原因，进而修正。
2.根据权利要求1所述的一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，其特征在于，所述步骤32)中，区域i的校准系数Ci的求解过程如下：先给太阳电池片组件样品施加一个0.3V-0.52V范围的正向偏压U1，此时Ui＝U1，测量此偏压下的Li，根据公式(3)计算得到相应的Ci值。
3.根据权利要求1所述的一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，其特征在于，所述步骤32)中，区域i的电致发光强度Li的计算过程如下：利用便携式电致发光测试仪，在步骤1)所制备的太阳电池片组件样品施加不同的正向偏压，得到不同偏压下的电致发光图像，选择高正向偏压下的电致发光图像，采用图像处理软件得到该图像的区域i的像素点的灰度值，该灰度值即定义为区域i的电致发光强度Li。
4.根据权利要求1所述的一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，其特征在于，所述步骤35)中，局部短路电流密度Jsc的求解方法为：通过使用具有不同激发波长λ的光源，生成SR-LBIC图；将光束聚焦到一个点并在被测短路太阳电池上扫描，通过附加的光谱响应测量，将局部感应电流缩放到外部量子效率EQE；然后将不同波长下的局部EQE逐节点插入SR-LBIC图，通过光谱积分得到局部短路电流密度Jsc。
5.根据权利要求1所述的一种太阳电池局部电压电流性能测试与验证方法，其特征在于，所述步骤36)中，局部IV曲线的获取如下：
将步骤31)获得的区域i的暗饱和电流密度和理想因子、步骤33)获得的区域i的串联电阻、步骤34)获得的区域i的并联电阻和步骤35)获得的局部短路电流密度，代入太阳电池的输出特性方程(7)，运用Matlab软件模拟获得太阳电池片组件样品局部的IV曲线：
其中，I0i＝J0iAi，令Iph,i等于Isc，Isc＝JscAi。
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