CN111446923B - 一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，包括以下步骤：S1、将封装材料与太阳电池堆叠，构成叠层；S2、将叠层置于预设温度不大于120℃的环境中，并将叠层的两个表面分别与两个平面电极贴合；S3、在两个电极之间施加正向或反向的直流电压，以使电场方向从封装材料的玻璃层指向太阳电池；施加的直流电压为1‑20千伏，施加电压的保持时间小于96小时；S4、施加的直流电压解除后，将叠层冷却至室温，从叠层中取出太阳电池并测试其电学性能，以获取太阳电池及封装材料的电势感应衰减特性。本发明在太阳电池与封装材料的玻璃层施加高电压，在两者之间产生极强的电场强度，驱使玻璃中钠离子定向迁移，从而缩短测试时间。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池测试技术领域，具体涉及一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法及系统。
背景技术
在光伏电站中，光伏组件通常需要通过串联来实现1000-1500伏左右的系统电压。为了防止触电风险以及抑制组件边框电化学腐蚀，通常将组件边框接地，这样就在光伏组件中电池与组件边框之间形成了约1千伏电势差。在这个电势差的作用下，太阳能组件的发电性能会出现大幅下降，称为电势感应衰减。研究发现，这种衰减主要是由作为封装材料的玻璃中所含的钠离子在上述电势驱动作用下，穿越封装材料层，进入太阳电池中，造成太阳电池的电学性能下降。解决这种衰减的方法包括更换无钠玻璃、更换封装层的高分子材料以及改变太阳电池的表面镀膜层等。目前产业界已经普遍应用上述各种方法来避免大批量产生电势诱导衰减有问题的电池及组件。假如生产异常造成一个批次的太阳电池及组件存在电势诱导衰减问题，往往要到应用这些组件的光伏系统运行一定时期以后才能够发现，造成较大的经济损失。因此，光伏业界需要有一种电势感应衰减效应的测试技术，用于监控太阳电池及组件生产质量、评估消除该效应的各种措施的实际效果。行业内已经有相应的方法来针对太阳电池封装组件的电势感应衰减性能测试，施加的电压为1000伏，测试需要96小时以上，但测试时间很长，难以满足快速评估的要求。另外，也有相关专利，例如，申请号为201611214527.X的专利文献提出了针对太阳电池片的电势感应衰减性能的方法，但此方法只能用于电池片本身的电势感应衰减性能测试，不能用于评估组件封装材料的性能；而且，其通过金属探针的尖端部放电的方式，只能反馈太阳电池局部位置的信息，无法准确地获得太阳电池的整体电势感应衰减性能。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法及系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，包括以下步骤：
S1、将封装材料与太阳电池堆叠，构成叠层；
S2、将叠层置于预设温度不大于120℃的环境中，并将叠层的两个表面分别与两个平面电极贴合；
S3、在两个电极之间施加正向或反向的直流电压，以使电场方向从封装材料的玻璃层指向太阳电池；其中，施加的直流电压为1-20千伏，施加电压的保持时间小于96小时；
S4、施加的直流电压解除后，将叠层冷却至室温，从叠层中取出太阳电池并测试其电学性能，以获取太阳电池及封装材料的电势感应衰减特性。
作为优选方案，所述施加的直流电压为5-15千伏。上述电压范围远超出太阳电池组件在实际服役过程中承受1千伏左右的电势差，也远超过常规测试标准规定的1千伏左右的电压标准，可以显著地加速封装材料中的玻璃层的钠离子的迁移，从而缩短测试时间。
作为优选方案，所述施加电压的保持时间为10-24小时。
作为优选方案，所述预设温度为60-120℃。
作为优选方案，所述平面电极为金属电极。
作为优选方案，所述平面电极的材质为铝。
作为优选方案，所述叠层替换为太阳电池组件；
相应地，所述步骤S2中，其中之一的平面电极与太阳电池组件的输出端通过导线电连接；
所述步骤S4中，电学性能的测试对象为冷却后的太阳电池组件。
作为优选方案，所述太阳电池组件的输出端为太阳电池的n型掺杂区的输出端或太阳电池的p型掺杂区的输出端。
本发明还提供一种太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，包括：
成对的平面电极，安装于可调支架上，通过可调支架调节平面电极的位置，以使两个平面电极分别与待测件的两个表面贴合；待测件为封装材料与太阳电池堆叠而成的叠层或太阳电池组件；
直流高压电源，分别与两个平面电极电连接，输出正负电压范围为0-20千伏，电流输出范围为0-10毫安；
温控子系统，用于加热待测件的温度至预设温度。
作为优选方案，所述平面电极与待测件之间的接触压力由设于平面电极上的压力传感器控制。
作为优选方案，所述温控子系统集成于平面电极，包括内置于平面电极的冷却管路、加热元件、温度传感器和温控模块组成。通过温控模块的控制，可以实现太阳电池及封装材料叠层或太阳电池组件保持在设定温度下，温度波动小于±2℃。
作为优选方案，所述太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，还包括：电气控制及人机交互子系统，与直流高压电源、温控子系统、可调支架控制连接，用于对平面电极的运动、温度、施加的直流电压、施加电压的保持时间实现自动化控制。
作为优选方案，直流高压电源在电流超出设定值时自动断开，以消除漏电、击穿等造成安全隐患。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，通过将太阳电池与封装材料按照顺序堆叠，保持在预设温度环境下，在其上、下表面施加直流高压的方式，无需层压处理就可以实现快速测试电池片本身以及封装材料的电势感应衰减的表现；同时本发明测试方法也适用于已经层压过的太阳电池组件，可作为一种用于评估太阳电池、封装材料以及完整太阳电池组件的测试方案。相比常规测试方法，环境试验箱需96小时以上的测试时间，本发明优选可以在24小时以内完成电势感应衰减性能的测试，具备快速测试的优异效果。
本发明的太阳电池的电势感应衰减快速测试方法及系统，在太阳电池与封装材料的玻璃层中施加高电压，在两者之间产生极强的电场强度，驱使玻璃中的钠离子的定向迁移；同时保持上述叠层或太阳电池组件在较高温度下，可以进一步增强钠离子的迁移速率；在上述条件下，可以显著加快钠离子从玻璃层到太阳电池的迁移过程，从而缩短测试的时间。
本发明的太阳电池的电势感应衰减快速测试方法及系统，还可以评估太阳电池介质膜生长工艺、封装玻璃、封装高分子材料对电势感应衰减的效果，为产业界提供了一种快捷有效的表征和监控手段。
附图说明
图1是本发明实施例1的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试的结构示意图；
图2是本发明实施例1的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试方法对不同封装材料的测试结果图；
图3是本发明实施例2的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试的结构示意图；
图4是本发明实施例3的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试的结构示意图；
图5是本发明实施例4的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试的结构示意图；
图6是本发明实施例5的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试系统的结构原理示意图；
图7是本发明实施例5的平面电极集成温控组件的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的太阳电池由pn结构成，如图1-4所示，上半电池11和下半电池12分别代表不同的掺杂类型区，通常在其表面沉积覆盖具有钝化作用的介质膜，并且含有传输光生载流子的电极。以目前最主流的硅晶体p型PERC太阳电池为例，上半电池11为n型掺杂区，其上沉积生长氮化硅钝化膜；下半电池12为p型掺杂区，其下沉积生长氧化铝钝化膜。这两种钝化介质膜对钠离子的迁移的阻挡性能是有差异的，由此有可能造成太阳电池的两个表面针对电势感应衰减的性能是不同的。同类型介质膜的生长工艺变化，也会导致对钠离子迁移性能造成显著的差异。此外，为了消除电势感应衰减效应，业界选择不同的封装材料来阻碍钠离子的迁移。所以为了评估太阳电池、封装材料的效果，可以采用下述实施例1和实施例2所示意的方式。
实施例1：
本实施例的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试方法，包括：
如图1所示，将太阳电池、封装高分子材料2，例如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)薄膜、聚烯烃弹性体薄膜(POE)等，封装玻璃层3自下而上依次叠放，构成叠层。
两个平面电极与叠层上下表面紧密结合，上电极4连接直流高压电源的正极，下电极5连接直流高压电源的负极。其中，平面电极为平面金属电极，优选为铝材质。
在两电极之间施加电压10kV，电场的方向从玻璃指向太阳电池正表面，使上述叠层保持在85℃，保持12小时。过程结束后，撤去直流高压，冷却叠层，然后将太阳电池取出并测试其电学性能。
基于该方式，可以评估太阳电池上表面钝化膜、上表面高分子封装材料、上表面玻璃材料的抵抗电势感应衰减效应的效果。在本实施例中，针对两种不同牌号的EVA材料进行测试评估，按照上述条件测试，结果得到两者的显著差异，应用1#EVA材料(型号为F806P)的电池效率衰减1.48％，应用2#EVA材料(型号为F806)的电池效率衰减4.00％，如图2所示。如果运用常规的测试方法，需要将封装材料及太阳电池层压成组件，该过程将导致电池在测试后无法完整取出；并且测试过程需要至少96小时的处理时间。由此可见，本实施例提供的方法大大简化了针对电势感应衰减效应测试的实验步骤，并且显著减少了测试时间。
实施例2：
本实施例的太阳电池及封装材料的电势感应衰减快速测试方法，包括：
如图3所示，将太阳电池、封装高分子材料2、封装玻璃或背板3自上而下依次叠放，构成叠层。
两个平面电极与叠层上下表面紧密结合，上电极4连接直流高压电源的负极，下电极5连接直流高压电源的正极。其中，平面电极为平面金属电极，优选为铝材质。
在两电极之间施加电压5kV，使上述叠层保持在60℃，保持24小时。过程结束后，撤去直流高压，冷却叠层，然后将太阳电池取出并测试其电学性能。
基于该方式，可以评估太阳电池背表面钝化膜、背表面高分子封装材料、背表面玻璃或背板的抵抗电势感应衰减效应的效果。特别针对双面发电的太阳电池是一种快捷有效的方法。
本发明实施例除了针对未封装的太阳电池，还可以用于处理经过层压的太阳电池组件，可以采用实施例3和实施例4所示意的方式。
实施例3：
本实施例的太阳电池组件的电势感应衰减快速测试方法，包括：
如图4所示，将两个平面电极与太阳电池组件上下表面紧密结合，上电极4连接直流高压电源的正极，下电极5用导线与组件的输出端相连，上述输出端是其中太阳电池下半电池相连，例如针对常规的p型太阳电池，其输出端为组件的正极，将下电极5再于直流高压电源的负极相连接。其中，平面电极为平面金属电极，优选为铝材质。
在两电极之间施加电压15kV，电场的方向从上表面玻璃层指向太阳电池，使上述叠层保持在40℃，保持24小时。过程结束后，撤去直流高压，冷却太阳电池组件，并测试其电学性能。
基于该方式，可以评估太阳电池上表面钝化膜、上表面高分子封装材料、上表面玻璃材料的抵抗电势感应衰减效应的效果。
实施例4：
本实施例的太阳电池组件的电势感应衰减快速测试方法，包括：
如图5所示，将两个平面电极与太阳电池组件上下表面紧密结合，上电极4用导线与组件的输出端相连，上述输出端是其中太阳电池上半电池相连，例如针对常规的p型太阳电池，其输出端为组件的负极，再将上电极4与直流高压电压的负极相连接；下电极5连接直流高压电源的正极。其中，平面电极为平面金属电极，优选为铝材质。
在两电极之间施加电压10kV，电场方向从组件背表面指向太阳电池，使上述叠层保持在60℃，保持24小时。过程结束后，撤去直流高压，冷却太阳电池组件，并测试其电学性能。
基于该方式，可以评估太阳电池背表面钝化膜、背表面高分子封装材料、背表面玻璃材料或者背板的抵抗电势感应衰减效应的效果。
实施例5：
如图6所示，本实施例的太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，包括：
一组平面电极，上电极4和下电极5。上述平面电极的尺寸比待测试的太阳电池1的边缘向内缩小3厘米以上，防止电极施加高压时的横向爬电击穿。上电极固定在可调支架上，由电机6控制。其中，平面电极为平面金属电极，优选为铝材质。
平面电极可与太阳电池1、高分子封装材料2、封装玻璃3组成的叠层紧密接触，接触的压力由上电极的压力传感器10控制。
如图7所示，上电极和下电极均还有温度传感器41，加热元件42以及冷却管路43，由温控模块来控制电极的温度，使得太阳电池叠层维持在设定温度，控温精度小于±2℃。平面电极内部的元器件与电极的基体做高等级绝缘隔离及屏蔽，避免直流高压的干扰。
平面电极与其连接的支架高等级绝缘，所有人体能触碰的其他部件，包括箱体9都良好接地，以保证设备运行时的安全性。
平面电极与直流高压电源7连接，电源输出正负电压范围为0-20kV的直流高压，输出电流范围为0-10mA。
直流高压电源7由电气控制及人机交互系统8控制，电极的运动、温度、所加电压大小、时间等工艺参数可程序编辑，实现自动化控制，具体的自动化控制可以参考现有技术的控制逻辑，在此不赘述。
本实施例的太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，可以应用上述所有实施例的太阳电池的电势感应衰减快速测试方法。
在上述实施例及其替代方案中，叠层置于的预设温度环境的温度还可以为120℃、100℃、50℃、25℃等。
在上述实施例及其替代方案中，施加的直流电压还可以为1千伏、3千伏、7千伏、12千伏、18千伏、20千伏等。
在上述实施例及其替代方案中，施加电压的保持时间还可以为5h、10h、16h、20h、48h、80h、90h、95h等，即在小于96小时范围内根据实际情况进行选择。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将封装材料与太阳电池堆叠，构成叠层；
S2、将叠层置于预设温度不大于120℃的环境中，并将叠层的两个表面分别与两个平面电极贴合；
S3、在两个电极之间施加正向或反向的直流电压，以使电场方向从封装材料的玻璃层指向太阳电池；其中，所述施加的直流电压为5-15千伏，所述施加电压的保持时间为10-24小时；
S4、施加的直流电压解除后，将叠层冷却至室温，从叠层中取出太阳电池并测试其电学性能，以获取太阳电池及封装材料的电势感应衰减特性。
2.根据权利要求1所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，其特征在于，所述预设温度为60-120℃。
3.根据权利要求1所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，其特征在于，所述平面电极为金属电极。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试方法，其特征在于，所述叠层替换为太阳电池组件；
相应地，所述步骤S2中，其中之一的平面电极与太阳电池组件的输出端通过导线电连接；
所述步骤S4中，电学性能的测试对象为冷却后的太阳电池组件。
5.一种太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，应用如权利要求1-4任一项所述的测试方法，其特征在于，所述测试系统包括：
成对的平面电极，安装于可调支架上，通过可调支架调节平面电极的位置，以使两个平面电极分别与待测件的两个表面贴合；待测件为封装材料与太阳电池堆叠而成的叠层或太阳电池组件；
直流高压电源，分别与两个平面电极电连接，输出正负电压范围为0-20千伏，电流输出范围为0-10毫安；
温控子系统，用于加热待测件的温度至预设温度。
6.根据权利要求5所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，其特征在于，所述平面电极与待测件之间的接触压力由设于平面电极上的压力传感器控制。
7.根据权利要求5所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，其特征在于，所述温控子系统集成于平面电极，包括内置于平面电极的冷却管路、加热元件、温度传感器和温控模块组成。
8.根据权利要求7所述的一种太阳电池的电势感应衰减快速测试系统，其特征在于，还包括：电气控制及人机交互子系统，与直流高压电源、温控子系统、可调支架控制连接，用于对平面电极的运动、温度、施加的直流电压、施加电压的保持时间实现自动化控制。
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