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太陽(yáng)能電池性能測(cè)試及應(yīng)用

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0 引言

太陽(yáng)能電池是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，當(dāng)其受到光照就可輸出電壓，并且在有回路的情況下產(chǎn)生電流。物理學(xué)上稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏（Photovoltaic，縮寫(xiě)為PV），簡(jiǎn)稱(chēng)光伏。太陽(yáng)能電池作為一種新型的能源產(chǎn)業(yè)，具有節(jié)能環(huán)保、可再生等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上主要以單晶硅太陽(yáng)能電池為主。以P型硅為例，圖1為晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

1 太陽(yáng)能電池測(cè)試原理

太陽(yáng)能電池[1]在光照下能產(chǎn)生電流，如果接上一個(gè)負(fù)載R即形成一個(gè)回路，如果負(fù)載R為0時(shí)，則電路短路，此時(shí)電路中的電流為短路電流，記為Isc；如果負(fù)載為∞，則電路為斷路，電池片產(chǎn)生的電壓為開(kāi)路電壓，記為Uoc；如果負(fù)載R由0變到∞，則電路中的電流I和負(fù)載兩端的電壓U也會(huì)隨之變化，這樣就會(huì)產(chǎn)生很多組電流I和電壓U值，比較每組IU乘積值（即功率P），最大的P值即為最大功率值，記為Pmpp，對(duì)應(yīng)的I和U即為最大功率點(diǎn)電流Impp和最大功率點(diǎn)電壓Umpp，有了這些值，就可以算出填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η。圖2所示為簡(jiǎn)單的電池片測(cè)試原理[2]。

圖2 電池片測(cè)試原理

1）填充因子[3]FF為一個(gè)計(jì)算值，即

2）光電轉(zhuǎn)換效率η表示，在外電路連接最佳負(fù)載電阻R 時(shí)得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為

式中：Pin—在整個(gè)太陽(yáng)能電池正面光入射面積的總?cè)肷涔夤β?/p>

3）串聯(lián)電阻[4]

太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻用Rs表示，單位Ω（歐姆），主要由三部分組成：硅材料體電阻、金屬電極電阻、金屬與硅的接觸電阻。

4）并聯(lián)電阻[5]

太陽(yáng)能電池片的并聯(lián)電阻用Rsh表示，單位Ω（歐姆），主要由三部分組成：邊緣漏電、體內(nèi)雜質(zhì)和微觀缺陷、PN結(jié)局部短路。

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 測(cè)試條件

1）溫度：（25±2）℃；

2）輻射照度：1 000 W/m2；

3）光譜分布：AM1.5 G

2.2 準(zhǔn)備工作

此次實(shí)驗(yàn)針對(duì)156單晶電池片進(jìn)行測(cè)試，其中影響電池片效率的因素包括硅片材料、工藝以及結(jié)構(gòu)。本文以電池片正面柵線結(jié)構(gòu)的差異為例，通過(guò)測(cè)試對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析討論，提出更好的效率改進(jìn)措施。

將燒結(jié)好的156單晶硅電池片A和B（燒結(jié)前A類(lèi)副柵線為70 μm，B類(lèi)副柵線為75 μm）進(jìn)行降溫處理，待電池片表面溫度達(dá)到25 ℃左右后進(jìn)行測(cè)試。

用Berger測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的太陽(yáng)能模擬器使用氙氣燈模擬太陽(yáng)光。氙氣燈光譜在可見(jiàn)光區(qū)間與太陽(yáng)輻射非常接近，可以較為理想地模擬太陽(yáng)光測(cè)試儀與太陽(yáng)能模擬器集成。為了排除實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈光影響，太陽(yáng)能模擬器放在不透光的黑箱子中。首先將電腦中的測(cè)試系統(tǒng)打開(kāi)，根據(jù)短路電流設(shè)計(jì)好分揀程序，待達(dá)到以上測(cè)試條件后，用標(biāo)準(zhǔn)片對(duì)測(cè)試機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。電池片通過(guò)太陽(yáng)能模擬器，太陽(yáng)能模擬器進(jìn)行閃光，測(cè)試儀即可進(jìn)行測(cè)試并在計(jì)算機(jī)上顯示測(cè)試結(jié)果。具體測(cè)試的重要參數(shù)有短路電流Isc，開(kāi)路電壓Uoc，最大功率值Pmpp，最大功率點(diǎn)電流Impp和最大功率點(diǎn)電壓Umpp，串聯(lián)電阻Rs，并聯(lián)電阻Rsh，填充因子FF和效率η。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 電池片3D測(cè)試

分別對(duì)兩種燒結(jié)后的電池片進(jìn)行3D測(cè)試結(jié)果圖制作。A類(lèi)電池片（網(wǎng)版副柵線為65 μm寬）的3D測(cè)試結(jié)果圖見(jiàn)圖3；B類(lèi)電池片（網(wǎng)版副柵線為75 μm寬）的3D測(cè)試結(jié)果圖見(jiàn)圖4。

圖3 A類(lèi)電池片3D測(cè)試結(jié)果圖

從3D圖片可以看出， A類(lèi)電池片柵線的高寬比要大于B類(lèi)電池片，并且在成型上A類(lèi)電池片也要好于B類(lèi)電池片。

3.2 電性能測(cè)試

完成以上所有制作過(guò)程后，將電池片進(jìn)行降溫，同時(shí)保證測(cè)試機(jī)已達(dá)到測(cè)試所需的溫濕度以及模擬光照條件后，將已降溫好的電池片進(jìn)行效率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1。

圖4 B類(lèi)電池片3D測(cè)試結(jié)果圖

表1 電性能參數(shù)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，由于A類(lèi)電池片副柵線的寬度較B類(lèi)電池片降低，表面遮光面積變小，電池表面吸收更多的光，轉(zhuǎn)化為更多的電子，使得短路電流變大，光電轉(zhuǎn)換效率方面A類(lèi)電池片要高于B類(lèi)電池片0.101%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電池片的電性能測(cè)試和3D測(cè)試分析看出，通過(guò)降低柵線寬度、提高柵線高寬比可以提高光電轉(zhuǎn)換效率。但受到網(wǎng)版目數(shù)、線型以及漿料顆粒度和粘稠度等因素的影響，不可能將柵線寬度無(wú)限降低（網(wǎng)版柵線寬度太小易造成印刷斷柵）。因此，可以通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，尋求最佳匹配的工藝和結(jié)構(gòu)來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，可將這兩項(xiàng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用在計(jì)量測(cè)試中電池片的標(biāo)定。

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