CN114123969A - 多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法 - Google Patents

多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法 Download PDF

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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

本发明公开了一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法。所述检测方法包括:通过测试多结叠层光伏电池的I‑V特性,得到所述多结叠层光伏电池的I‑V曲线;通过量取所述I‑V曲线中各电流台阶所对应的电流,得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池的短路电流的近似值,再通过计算该一组电流的离散系数,获得所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度。本发明提供的检测方法通过计算I‑V曲线中出现的所有台阶对应的电流值组合的离散系数,得出多结叠层光伏电池子电池的电流匹配度,检验过程快速简单,不需标准光源光谱、不需要加偏置光以及根据标准光源光谱积分等复杂耗时的过程。

Description

多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法
技术领域
本发明涉特别涉及一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,属于半导体测试技术领域。
背景技术
采用多结层叠的方式是提升太阳电池和激光光伏电池转换效率及电压的有效方式,多结叠层光伏电池在转换效率方面的出色表现备受研究人员的关注,多结电池的电流主要由各结子电池电流中最小的子电池决定的,若要获得转换效率高的电池,就要保证各结子电池的电流相等,即匹配。在上述电流匹配的要求下,各结子电池的吸收层厚度由材料吸收对应波段的光通量决定。然而,制作出来的光伏电池结构很难确保各结子电池电流精确匹配,因而,检验制作的多结叠层光伏电池子电池是否电流匹配成为多结叠层光伏电池测试分析的非常重要的内容。
现有技术中主要是通过测量电池在不同波长处的量子效率即光谱响应来判断光伏电池子电池电流是否匹配;然而,对于多结太阳电池,需要加偏置激光使得非被测子电池电流处于过饱和状态,消除非被测子电池对被测子电池的影响。若想得到多结太阳电池各结子电池的电流,则需要根据子电池的数目依次加不同的偏置激光测试光谱响应,然后结合标准光谱积分计算得到各结子电池的短路电流,测试多结太阳电池的子电池电流匹配度的过程比较复杂耗时。对于多结激光光伏电池,通过对比光谱响应最大值处的波长与所设计波长的偏差来判断电池是否在目标波长处达到最高效率,但无法定量确定在某一波长下多结激光光伏电池中各结子电池的短路电流。由于多结激光光伏电池中各子电池一般采用相同的吸收材料,无法用加偏置光测光谱响应的方法来获取子电池间电流匹配程度的信息,而且目前也没有比较好的检验多结激光光伏电池子电池在某一波长下电流匹配程度的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明实施例提供了一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,其包括:
通过测试多结叠层光伏电池的I-V特性,得到所述多结叠层光伏电池的I-V曲线;
通过量取所述I-V曲线中各电流台阶所对应的电流,得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池的短路电流的近似值,再通过计算该一组电流的离散系数,获得所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度。
与现有技术相比,本发明的优点包括:本发明实施例提供的检测方法通过分析从反偏到正偏电压扫描得到的多结叠层光伏电池的I-V曲线,并通过计算I-V曲线中出现的所有电流台阶对应的电流值组合的离散系数,得出多结叠层光伏电池子电池的电流匹配度;以及,本发明实施例提供的检测方法,检验过程快速简单,不需标准光源光谱、不需要加偏置光以及根据标准光源光谱积分等复杂耗时的过程。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种多结叠层光伏电池的子电池电流及匹配度的检测系统的结构示意图;
图2是本发明实施例1中的一种六结1550nm InGaAs激光光伏电池的I-V曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明提供的一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,通过测量多结叠层光伏电池的I-V特性,就可以得到各结子电池光电流(短路电流是电压为0V时的电流,理想情况下,一般认为,子电池的短路电流就等于子电池的光电流)的近似值;对于多结激光光伏电池,因各结子电池材料的带隙一致,各结子电池的反向击穿电压由掺杂浓度决定,若各结子电池PN结轻掺杂一侧掺杂浓度有所不同,则掺杂浓度较低的PN结子电池短路电流对应于曲线中较宽的电流台阶的电流,掺杂浓度较高的PN结子电池短路电流对应于曲线中较窄的电流台阶的电流,若各结子电池PN结掺杂相同,则不能明确各个电流台阶所对应的子电池,但可以定量得到一组子电池短路电流值,不论对于多结太阳电池还是多结激光光伏电池,本发明均可通过各结子电池的电流值来确定子电池电流的匹配度,无需通过外量子效率等间接手段来分析各结子电池电流的匹配度。
本发明公开了一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,该检测方法所采用的检测工具包括高精度源表、功率稳定的光源(对于多结太阳电池为太阳光模拟器,对于激光光伏电池为功率可调激光器)、光伏电池I-V测试系统,所述检测方法包括用四线法将多结叠层光伏电池与高精度源表连接,以功率稳定光源照射多结叠层光伏电池,通过分析从反偏到正偏电压扫描得到的I-V曲线,量取I-V曲线中出现的所有电流台阶对应的电流值组合的离散系数,得出多结叠层光伏电池各结子电池电流匹配度。
本发明实施例提供了一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,其包括:
通过测试多结叠层光伏电池的I-V特性,得到所述多结叠层光伏电池的I-V曲线;
通过量取所述I-V曲线中各电流台阶所对应的电流,得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池的短路电流的近似值,再通过计算该一组电流的离散系数,获得所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度。
进一步的,所述的检测方法包括:以具有稳定输出功率的光源照射多结叠层光伏电池,同时在设定电压扫描范围内对所述多结叠层光伏电池进行扫描,得到所述I-V曲线。
进一步的,所述设定电压扫描范围为从反向偏压到正向偏压。
进一步的,所述设定电压扫描范围为从反向击穿电压至正向开路电压。
进一步的,所述的检测方法具体包括:
以四线法将多结叠层光伏电池的正负极与高精度源表相连;
将多结叠层光伏电池放置于光源的光斑覆盖范围内;
设置并打开所述光源,同时对多结叠层光伏电池进行从反向偏压到正向偏压范围的扫描,得到I-V曲线。
进一步的,所述多结叠层光伏电池包括N结激光光伏电池、N结太阳电池或N结热光伏电池,N≥2。
进一步的,所述多结叠层光伏电池为激光光伏电池,所述光源为输出功率稳定的激光器。
进一步的,所述多结叠层光伏电池为多结太阳电池,所述光源为稳态的太阳光模拟器。
进一步的,所述的检测方法具体包括:
分析所述I-V曲线中的各电流台阶,得到各电流台阶所对应的电流值I1、I2、I3…IN,其中N为多结叠层光伏电池的结数,各电流台阶对应的电流值近似等于各结子电池的短路电流值;
利用下式(1)计算得到该一组电流的离散系数,即:
从而得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度,其中M值越小,则各结子电池的电流匹配度越好,反之则各结子电池的电流匹配度越差。
进一步的,所述光源提供的入射光的波长与所述多结叠层光伏电池的设计目标波长相同或不同。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
按照图1所示组装多结叠层光伏电池子电池电流匹配度的检测系统,其包括:光源3/8、高精度数字源表5和计算机7;其中,所述光源3/8至少用于提供对多结叠层光伏电池1进行照射的光,所述高精度数字源表5与被测多结叠层光伏电池1连接,并至少用于测量并采集被测多结叠层光伏电池在被光源3/8照射时的I-V数据;所述计算机7分别与所述光源3/8、高精度数字源表5连接,并至少用于根据所述I-V数据绘制I-V曲线。
具体的,高精度数字源表5为多结叠层光伏电池的电子负载,高精度数字源表5通过四线法连接的方式与被测多结叠层光伏电池1的正负极连接,四线法接线用以消除引线串联电阻带来的电压测试误差,且该高精度数字源表5的电压扫描范围满足测试所需的电压扫描范围;计算机7用于控制光源和数字源表,主要包括向高精度数字源表发送电压扫描指令、对光源发出打开、关闭指令,以及,收集高精度数字源表所测得的I-V数据,根据I-V数据绘制I-V曲线。
具体的,所述被测多结叠层光伏电池可以是多结激光光伏电池或多结太能电池,当所述被测多结叠层光伏电池1为多结激光光伏电池时,所述光源为功率可调激光器3,功率可调激光器3的功率稳定,且中心波长为多结激光光伏电池所设计的目标应用波长,在测试激光光伏电池时,光纤4出光头距离多结叠层光伏电池表面不宜太近以免发生隧道结限流现象;当所述被测多结叠层光伏电池1为多结太阳电池时,可采用稳态的太阳光模拟器8作为光源。
具体的,所述计算机7和高精度数字源表5、计算机7和光源3通过串口通信数据线6连接,高精度数字源表5通过导线2与多结叠层光伏电池1的正负极连接。
具体的,一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,主要包括以下步骤:
1)提供如图1所示的多结叠层光伏电池的子电池电流及匹配度的检测系统,
2)将多结叠层光伏电池贴于热沉上,确保多结叠层光伏电池具有良好的散热条件,且测试时入射光的照射时间应足够短以避免测试过程中多结叠层光伏电池温度的明显升高;
3)以串口线将计算机与高精度数字源表相连;
4)以四线法将多结叠层光伏电池的正负极与高精度源表相连;
5)将多结叠层光伏电池放置于光源的光斑覆盖范围内;
6)打开设置好功率的激光器或太阳光模拟器,使得多结叠层光伏电池受到稳定的光照,同时对多结叠层光伏电池进行电压扫描,待电压扫描完毕后得到多结叠层光伏电池的I-V数据,多结叠层光伏电池I-V测试系统中电压扫描的起始点设为光伏电池的反向击穿电压,电压扫描的终点设为多结叠层光伏电池的开路电压;
7)分析所述I-V曲线中的各电流台阶,得到各电流台阶所对应的电流值I1、I2、I3…IN,其中N为多结叠层光伏电池的结数,各电流台阶对应的电流值近似等于各结子电池的短路电流值;
8)利用下式(1)计算得到该一组电流的离散系数,即:
从而得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度,其中M值越小,则各结子电池的电流匹配度越好,反之则各结子电池的电流匹配度越差。
具体的,对于多结激光光伏电池,各结子电池的短路电流与I-V曲线中各台阶的对应关系由子电池的击穿电压即PN结中低掺杂一侧的掺杂浓度决定;若影响子电池PN结反向击穿电压的低掺杂一侧的掺杂浓度有所不同,则较宽台阶对应的电流值对应于低掺杂浓度那一结子电池的短路电流,较窄台阶对应的电流值对应于较高掺杂浓度的那一结子电池的短路电流。
具体的,所述光源提供的入射光的波长与所述多结叠层光伏电池的设计目标波长相同或不同,即,对于多结激光光伏电池,入射激光的波长可以是设计的目标波长之外的某一波长,此时检测方法得到的是该入射激光波长下各子电池间的电流匹配度。
需要说明的是,本发明实施例提供的检测方法主要是针对多结叠层光伏电池目标波长处的匹配度,但本发明实施例提供的检测方法对多结叠层光伏电池目标波长之外的某一波长(即非目标波长)也是适用的。这是由于在电池器件的实际制作过程中,所采用的材料参数与设计参数存在偏差,导致最终制备形成的电池器件的最佳响应波长偏离目标波长,此时在目标波长下,多结叠层光伏电池的子电池电流是不匹配的。
具体的,以激光光伏电池为例,理想的激光光伏电池只是对某个单一波长(目标波长)的激光有最佳响应,比如,在同一功率的808nm激光照射下,多结激光光伏电池的短路电流最大,而在830nm的光照下,短路电流变小,但是,实际制作形成的激光光伏电池不一定在808nm下具有最佳响应。
具体的,在具体的检测过程中,为避免环境光的干扰,该检测过程应在暗室中进行,同时应当记录测试环境温度参数,因为各子电池电流的匹配度与温度有关,温度会影响材料的禁带宽度,进而影响材料对特定波长光的吸收系数;具体的,多结叠层光伏电池的子电池电流及匹配度与材料对光的吸收系数有关,该吸收系数又与光子能量相关,因此在不同波长的光照射下,材料的吸收系数是不同的;进而使得在不同波长下,子电池电流的匹配度也是不同的;以上几种情况都可以通过本发明实施例提供的检测方法获得多结叠层光伏电池子电池电流及其匹配度。
实施例1
以六结1550nm InGaAs激光光伏电池芯片为例,对多结叠层光伏电池子电池电流及其匹配度的检测方法进行说明,InGaAs激光光伏电池的子电池电流及匹配度的检测方法包括如下步骤:
1)粗测光伏电池的正向I-V特性,挑选一串联电阻较小,无严重漏电的InGaAs激光光伏电池,使用导电银浆将InGaAs激光光伏电池(片)1粘贴于能够良好散热的陶瓷覆铜片上,并使用引线机键合好金引线;
2)以四线法将InGaAs激光光伏电池与高精度数字源表5连接,InGaAs激光光伏电池1的正电极连接高精度数字源表的正极接线口,负电极连接高精度数字源表5的负极接线口,高精度数字源表5的工作模式设置为四线;
3)将激光器3的输出光纤4的头部用支架固定在InGaAs激光光伏电池1的上方,为避免InGaAs激光光伏电池因局部光强密度过大而导致局部光电流密度过大而出现限流现象,光纤4头部应与InGaAs激光光伏电池表面保持适当的距离(本实施例采用3cm的高度);
4)在计算机7上打开多结叠层光伏电池快速I-V测试程序,由于检测过程中得到的与多结电池中各子电池PN结相同掺杂浓度的单结InGaAs PN结的反向击穿电压在-1.5V左右,六结InGaAs激光光伏电池的反向击穿电压在-9V左右,开路电压接近3V,因此电压扫描的起点设为-9V,终点设为3V;
5)开始对InGaAs激光光伏电池进行电压扫描,测试得到如图2所示的I-V曲线,由图2可以看到,I-V曲线在所扫描的电压范围内出现了若干个随电压变化时电流稳定不变的电流台阶,这若干个台阶就近似对应着不同结的子电池的光电流,读取各个台阶所对应的纵坐标值,即电流值"I1"、"I2"、"I3"、"I4"、"I5"和"I6",计算所有台阶对应的多个电流值的离散系数Cv(Cv=σ/μ,σ为标准差,μ为均值),以所述离散系数判定所述多结叠层光伏电池中各个子电池的匹配度,离散系数Cv就代表了各子电池电流的匹配度,离散系数越小,则子电池电流匹配度越高,反之,子电池电流匹配度越低。
其中,Cv“coefficient of variation”即离散系数的缩写,前述的M(Match)为电流匹配度,本发明将一组台阶电流值的离散系数定义为多结激光光伏电池的子电池电流匹配度,因此M=Cv
本发明提供的检测方法,结合多结叠层光伏电池的实际结构,将各子电池PN结中轻掺杂一侧的掺杂浓度大小与I-V曲线中各台阶的宽度作比照,按照掺杂浓度越高,台阶宽度越小的原则,获得各结子电池所对应的台阶所对应的电流值。
需要说明的是,以上实施例仅仅是本发明的较佳应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制,本发明提出的利用I-V特性检测子电池电流匹配度的方法,不仅仅能够应用于多结激光光伏电池,也能够应用于多结太阳电池。
本发明实施例提供的检测方法通过分析从反偏到正偏电压扫描得到的多结叠层光伏电池的I-V曲线,并通过计算I-V曲线中出现的所有电流台阶对应的电流值组合的离散系数,得出多结叠层光伏电池子电池的电流匹配度。
本发明实施例提供的检测方法,检验过程快速简单,不需标准光源光谱、不需要加偏置光以及根据标准光源光谱积分等复杂耗时的过程;本发明实施例提供的检测方法适用于功率稳定的光源照射下多结叠层光伏电池各子电池短路电流值的提取及对多结叠层光伏电池子电池电流匹配度的定量化评价。
应当理解,上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多结叠层光伏电池子电池电流及匹配度的检测方法,其特征在于包括:
通过测试多结叠层光伏电池的I-V特性,得到所述多结叠层光伏电池的I-V曲线;
通过量取所述I-V曲线中各电流台阶所对应的电流,得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池的短路电流的近似值,再通过计算该一组电流的离散系数,获得所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度。
2.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于包括:以具有稳定输出功率的光源照射多结叠层光伏电池,同时在设定电压扫描范围内对所述多结叠层光伏电池进行扫描,从而得到所述I-V曲线。
3.根据权利要求2所述的检测方法,其特征在于:所述设定电压扫描范围为从反向偏压到正向偏压。
4.根据权利要求3所述的检测方法,其特征在于:所述设定电压扫描范围为从反向击穿电压至正向开路电压。
5.根据权利要求4所述的检测方法,其特征在于具体包括:
以四线法将多结叠层光伏电池的正负极与高精度源表相连;
将多结叠层光伏电池放置于光源的光斑覆盖范围内;
设置并打开所述光源,同时对多结叠层光伏电池进行从反向偏压到正向偏压范围的扫描,得到I-V曲线。
6.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于:所述多结叠层光伏电池包括N结激光光伏电池、N结太阳电池或N结热光伏电池,其中,N≥2。
7.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于:所述多结叠层光伏电池为激光光伏电池,所述光源为输出功率稳定的激光器。
8.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于:所述多结叠层光伏电池为多结太阳电池,所述光源为稳态的太阳光模拟器。
9.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于具体包括:
分析所述I-V曲线中的各电流台阶,得到各电流台阶所对应的电流值I1、I2、I3…IN,其中N为多结叠层光伏电池的结数,各电流台阶对应的电流值近似等于各结子电池的短路电流值;
利用下式(1)计算得到该一组电流的离散系数,即:
从而得到所述多结叠层光伏电池中各结子电池电流的匹配度,其中,M值越小,则各结子电池的电流匹配度越好,反之,则各结子电池的电流匹配度越差。
10.根据权利要求1所述的检测方法,其特征在于:所述光源提供的入射光的波长与所述多结叠层光伏电池的设计目标波长相同或不同。
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