CN108804774A - 一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，包括以下步骤：(1)在太阳电池上施加不同的正向偏压V，对其进行电化学阻抗谱测试以获得不同偏压下的电化学阻抗谱图谱；(2)利用ZView软件构建太阳电池等效电路并拟合实验测得的电化学阻抗图谱，确定等效电路中化学电容C_μ的电学参数；(3)绘制V和C_μ的曲线图，由图确定化学电容与直流偏压成指数关系的适用条件，进而拟合正向V和lnC_μ的曲线，得到太阳电池的理想因子。本发明采用电化学阻抗谱方法，实现对电池片的无损测试，结合阻抗谱拟合结果，通过公式能够直接计算出太阳电池的理想因子，提高了计算的精度，使得准确分析太阳电池的理想因子变得简便。

Description

一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法

技术领域

本发明涉及一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，属于太阳电池参数提取技术领域。

背景技术

光伏发电是解决目前能源紧缺和环境污染的重要途径，而太阳电池是光伏发电系统中的重要组成部分，因此研究反映太阳电池性能优劣的太阳电池参数就尤为重要。太阳电池理想因子是衡量太阳电池性能的重要依据，表征太阳电池中电流-电压特性的非理想性行为。

目前，已有的太阳电池理想因子的确定方法通常比较复杂，例如五点法、CC法、电导法等，它们虽能较为精确的求得理想因子值，但是存在计算复杂，过程繁琐的缺点。也有人利用太阳电池输出特性方程拟合实际测得的太阳电池I-V曲线的方法求解太阳电池参数，虽然简便，但易导致拟合结果误差较大。

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，提供一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，采用电化学阻抗谱方法，实现对电池片的无损测试，结合阻抗谱拟合结果，通过公式能够直接计算出太阳电池的理想因子，提高了计算的精度，使得准确分析太阳电池的理想因子变得简便。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，包括以下步骤：

1)选择一片晶硅太阳电池片；

2)在步骤1)所选择的太阳电池片上施加不同的正向直流偏压V，使用电化学工作站对所选择的太阳电池片进行阻抗谱测试，得到不同正向直流偏压下太阳电池片的电化学阻抗图谱；在测试过程中，采用幅值为5～20mV，频率范围为1Hz到1MHz的小振幅交流电压，作为扰动；

3)采用ZView软件建立太阳电池片等效电路模型，对步骤2)测试得到的电化学阻抗图谱进行拟合，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ；

4)拟合正向直流偏压V和化学电容C_μ的曲线图；

5)根据步骤4)所拟合的曲线图，确定化学电容与直流偏压成指数关系的偏压起始值V₁，

6)利用化学电容与直流偏压的指数关系式确定一次关系式lnC_μ＝aV+b，拟合正向直流偏压V和lnC_μ在V₁到太阳电池片开路电压V_oc的线性曲线图，得出斜率a；

7)根据a计算太阳电池片理想因子A。

前述的步骤2)中，正向直流偏压V的范围为从零到太阳电池片的开路电压V_oc。

前述的步骤3)中，ZView软件建立的等效电路模型为一个电容C_μ与一个电阻R_r并联后与另一电阻R_s串联所组成，其中，R_r为复合电阻，R_s为串联电阻。

前述的拟合过程如下：

3-1)首先根据测试得到的电化学阻抗谱初步确认等效电路的合理性，具体原则为电化学阻抗谱的奈斯奎特图中第一象限中有几个弧，等效电路便有几对RC并联与之对应，通过分析观察图谱，看到晶硅电池片在奈斯奎特图中只有一个半圆弧，因此通过R_r，C_μ电路元件的并联拟合是合理的；

3-2)根据建立的等效电路模型，利用ZView软件的自动拟合功能拟合等效电路模型中各个元件参数初始值，根据误差结果调整参数值使拟合误差在5％以内；

3-3)当仅通过调整参数值无法使拟合误差小于5％时，通过增减等效电路中相应元件来调整电路模型，使拟合误差在5％以内，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ具体参数。

前述的步骤5)中，化学电容与直流偏压符合公式：

其中，q为电荷量绝对值，L为太阳电池片活性层厚度，n₀为平衡状态时少数载流子密度，k_B为玻尔兹曼常数，T为太阳电池片温度，A为太阳电池片理想因子。

前述的步骤7)中，太阳电池片理想因子A计算如下：

由两边取对数，对比一次关系式lnC_μ＝aV+b得到：

进而计算出A。

本发明所达到的有益效果是：

本发明采用电化学阻抗谱方法，实现对电池片的无损测试，结合阻抗谱拟合结果，通过公式能够直接计算出太阳电池的理想因子，提高了计算的精度，使得准确分析太阳电池的理想因子变得简便。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例拟合的太阳电池化学电容与施加偏压的关系图；

图3为本发明实施例拟合的lnC_μ与施加偏压的线性拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式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。

本发明的基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，如图1所示，具体如下：

1)选择一片晶硅太阳电池片；

2)在步骤1)所选择的太阳电池片上施加不同的正向直流偏压V，使用电化学工作站对所选择的太阳电池片进行阻抗谱测试，测试时施加的正向直流偏压V范围为零到太阳电池片的开路电压(V_oc)，同时施加幅值为5～20mV，频率范围为1Hz到1MHz的小振幅交流电压，得到不同正向直流偏压下太阳电池片电化学阻抗图谱；

3)采用ZView软件建立太阳电池片等效电路模型，对步骤2)测试得到的电化学阻抗图谱进行拟合，构建的等效电路需根据拟合结果进行相应调整，即增减相应元件进行优化以使拟合误差在5％以内，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ具体参数；

ZView软件建立的等效电路模型为一个电容C_μ与一个电阻R_r并联后与另一电阻R_s串联所组成，C_μ为化学电容，表示电子密度的变化和积累；R_r为复合电阻；R_s为串联电阻。

拟合过程如下：

3-1)首先根据测试得到的电化学阻抗谱初步确认等效电路的合理性，具体原则为阻抗谱的奈斯奎特图中第一象限中有几个弧，等效电路便有几对RC并联与之对应，通过分析观察图谱，可看到晶硅电池在奈斯奎特图中只有一个半圆弧，因此通过R_r，C_μ电路元件的并联拟合是合理的；

3-2)根据建立的等效电路模型，利用ZView软件的自动拟合功能拟合等效电路模型中各个元件参数初始值，根据误差结果调整参数值使拟合误差在5％以内；

3-3)当仅通过调整参数值无法使拟合误差小于5％时，就需要通过增减等效电路中相应元件来调整电路模型，例如增加电感或电阻等元件串并联，进行优化以使拟合误差在5％以内，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ具体参数。

4)根据施加的不同直流偏压V和相应偏压下的化学电容C_μ，拟合V和C_μ的曲线图，从所拟合的曲线中可以看出，V在0到V_oc范围内，V和C_μ并不是一直都满足指数关系，只有在较大正向偏压下太阳电池片化学电容C_μ与施加偏压V成指数关系，且符合公式

由拟合曲线确定化学电容值大小与直流偏压成指数关系的偏压起始值V₁，

然后利用公式确定的一次关系式lnC_μ＝aV+b，

再拟合一次关系式lnC_μ＝aV+b从偏压V₁到V_oc的线性曲线，得出其斜率a，进而计算出理想因子A值。

理想因子A值的计算如下：

一次关系式lnC_μ＝aV+b是由两边取对数确定的，所以

其中，C_μ为化学电容，表示电子密度的变化和积累；V为所施加的直流偏压；q为电荷量绝对值，一般为1.6×10^-19C；L为太阳电池片活性层厚度；n₀为平衡状态时少数载流子密度；k_B为玻尔兹曼常数，一般为1.38×10^-23J/K；T为太阳电池片温度，采用开尔文温度；A为太阳电池片理想因子。

实施例

1)选择一片晶硅太阳电池片；

2)在步骤1)所选择的太阳电池片上施加不同的正向偏压V，使用电化学工作站对所选择的太阳电池片进行阻抗谱测试，测试时采用小振幅交流电压为5～20mV，频率范围为1Hz到1MHz，所施加正向直流偏压V范围为零到太阳电池片的开路电压(V_oc)0.64V，测试温度为25℃，得到不同正向偏压下太阳电池片电化学阻抗图谱；

3)采用ZView软件建立太阳电池等效电路模型，对步骤2)测试得到的阻抗图谱进行拟合，构建的等效电路需根据软件拟合结果进行相应调整，即增减相应元件进行优化以使拟合误差在5％以内，得到不同正向偏压下等效电路中化学电容C_μ具体参数；

4)根据在较大正向偏压下太阳电池化学电容与施加偏压成指数关系，利用公式根据施加的不同偏压V和相应偏压下的化学电容C_μ，拟合V和C_μ的曲线图，如图2所示；

由图2确定化学电容值大小与偏压成指数关系的偏压起始值V₁为0.5V；

拟合一次关系式lnC_μ＝aV+b在偏压V范围为0.5V到0.64V的线性曲线，如图3所示，确定其斜率a为26.62，进而计算得到太阳电池理想因子A值为1.46，接近于晶硅电池理想因子的准确值，说明该测量方法具有可靠性。

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 (6)

1.一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择一片晶硅太阳电池片；

2)在步骤1)所选择的太阳电池片上施加不同的正向直流偏压V，使用电化学工作站对所选择的太阳电池片进行阻抗谱测试，得到不同正向直流偏压下太阳电池片的电化学阻抗图谱；在测试过程中，采用幅值为5～20mV，频率范围为1Hz到1MHz的小振幅交流电压，作为扰动；

3)采用ZView软件建立太阳电池片等效电路模型，对步骤2)测试得到的电化学阻抗图谱进行拟合，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ；

4)拟合正向直流偏压V和化学电容C_μ的曲线图；

5)根据步骤4)所拟合的曲线图，确定化学电容与直流偏压成指数关系的偏压起始值V₁，

6)利用化学电容与直流偏压的指数关系式确定一次关系式ln C_μ＝aV+b，

拟合正向直流偏压V和ln C_μ在V₁到太阳电池片开路电压V_oc的线性曲线图，得出斜率a；

7)根据a计算太阳电池片理想因子A。

2.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，所述步骤2)中，正向直流偏压V的范围为从零到太阳电池片的开路电压V_oc。

3.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，所述步骤3)中，ZView软件建立的等效电路模型为一个电容C_μ与一个电阻R_r并联后与另一电阻R_s串联所组成，其中，R_r为复合电阻，R_s为串联电阻。

4.根据权利要求3所述的一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，所述拟合过程如下：

3-1)首先根据测试得到的电化学阻抗谱初步确认等效电路的合理性，具体原则为电化学阻抗谱的奈斯奎特图中第一象限中有几个弧，等效电路便有几对RC并联与之对应，通过分析观察图谱，看到晶硅电池片在奈斯奎特图中只有一个半圆弧，因此通过R_r，C_μ电路元件的并联拟合是合理的；

3-2)根据建立的等效电路模型，利用ZView软件的自动拟合功能拟合等效电路模型中各个元件参数初始值，根据误差结果调整参数值使拟合误差在5％以内；

3-3)当仅通过调整参数值无法使拟合误差小于5％时，通过增减等效电路中相应元件来调整电路模型，使拟合误差在5％以内，得到不同正向直流偏压下等效电路中化学电容C_μ具体参数。

5.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，所述步骤5)中，化学电容与直流偏压符合公式：

其中，q为电荷量绝对值，L为太阳电池片活性层厚度，n₀为平衡状态时少数载流子密度，k_B为玻尔兹曼常数，T为太阳电池片温度，A为太阳电池片理想因子。

6.根据权利要求5所述的一种基于电化学阻抗谱测试分析太阳电池理想因子的方法，其特征在于，所述步骤7)中，太阳电池片理想因子A计算如下：

由两边取对数，对比一次关系式ln C_μ＝aV+b得到：

进而计算出A。