王順權(quán)，朱冰潔，王 億，宋 昊

(無(wú)錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，無(wú)錫 214101)

0 引言

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池作為光伏行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，對(duì)太陽(yáng)電池及光伏組件起到非常重要的量值溯源的作用。標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池是標(biāo)定太陽(yáng)模擬器輻照度的重要依據(jù)，通過(guò)其標(biāo)定太陽(yáng)模擬器的輻照度，進(jìn)而才能測(cè)試出光伏器件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的電性能。因此，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的性能穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)太陽(yáng)電池和光伏組件的測(cè)量具有十分重要的影響。

標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在正式投入使用前，必須經(jīng)過(guò)一系列的驗(yàn)收測(cè)試[1]。目前，主流的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池制造商主要是歐美和日本的廠商，以及我國(guó)少數(shù)幾家研究機(jī)構(gòu)，所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池性能參差不齊，并且對(duì)于該類電池的驗(yàn)收也無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范建議，融入實(shí)驗(yàn)室多年測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)自主研制的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池展開(kāi)了驗(yàn)收測(cè)試，進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)收試驗(yàn)，獲得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。

1 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)與制備

本文采用自主研制生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)[2]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池自上至下的結(jié)構(gòu)為石英玻璃、鋁合金上蓋板、晶體硅太陽(yáng)電池、可伐合金基板、鉑電阻Pt100、LEMO連接器、鋁合金基底，以及鋁合金后蓋板。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of standard solar cell

本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的最核心部分為晶體硅太陽(yáng)電池，選用了效率較高的單晶硅太陽(yáng)電池。單晶硅太陽(yáng)電池在投入使用前必須進(jìn)行穩(wěn)定性處理，然后切割成20 mm×20 mm的正方形，切割時(shí)需保證主柵線位于電池邊緣，對(duì)電池邊緣進(jìn)行絕緣處理后，將電池正、負(fù)極用引線引出。

本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池采用紫外線高透過(guò)率的石英玻璃作為窗口層，在對(duì)玻璃表面進(jìn)行精拋光后，其在波長(zhǎng)為300～1200 nm范圍內(nèi)的透過(guò)率可超過(guò)91%，具體如圖2所示。

圖2 本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池采用的石英玻璃的表面透過(guò)率曲線Fig. 2 Surface transmittance of silica glass used in standard solar cell

本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池主體部分采用鋁合金，為了降低鋁合金表面的反射率，需對(duì)鋁合金表面進(jìn)行硬質(zhì)氧化處理。單晶硅太陽(yáng)電池襯底采用線性膨脹系數(shù)與單晶硅太陽(yáng)電池相近的可伐合金，按照石英玻璃、EVA、太陽(yáng)電池、EVA可伐合金的順序進(jìn)行層壓。在層壓前，對(duì)可伐合金表面進(jìn)行了啞光黑噴塑處理，可降低可伐合金對(duì)光線的反射，處理后在波長(zhǎng)300～1200 nm范圍內(nèi)可伐合金表面的反射率均低于5%?？煞ズ辖鸨砻娴姆瓷渎是€如圖3所示。

圖3 可伐合金表面的反射率曲線Fig. 3 Reflectivity curve of kovar alloy surface

本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的溫度傳感器選用阻值漂移較小的鉑電阻，其采用四線連接法與LEMO連接器連接，緊貼于可伐合金背面，由于可伐合金的厚度較薄，因此該鉑電阻可以靈敏地反映太陽(yáng)電池的溫度變化。2個(gè)LEMO連接器分別與太陽(yáng)電池和鉑電阻連接，并固定于鋁合金基底的同側(cè)。

最后，將上述部件進(jìn)行層壓、電氣焊接與殼體安裝，制備成完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池實(shí)物圖Fig. 4 Picture of standard solar cell

2 驗(yàn)收測(cè)試方案

完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池制備完成后，需要對(duì)電池進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試，并且通過(guò)測(cè)試后才能投入使用。在IEC 60904-2:2007標(biāo)準(zhǔn)中[3]，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的外觀視角及結(jié)構(gòu)做出了較為廣泛的要求，如圖5所示。

圖5 IEC 60904-2:2007標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池外觀及結(jié)構(gòu)的要求Fig.5 Requirement for appearance and structure of standard solar cell in IEC 60904-2:2007

國(guó)際上為了便于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行校準(zhǔn)，世界光伏基準(zhǔn)(WPVS)[4]統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)及驗(yàn)收的流程要求。依據(jù)這一要求并結(jié)合測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，將WPVS的要求進(jìn)行了細(xì)化和改進(jìn)，形成了一套完整的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池驗(yàn)收測(cè)試方法。利用該方法對(duì)制備的成品標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行了驗(yàn)收測(cè)試，具體測(cè)試內(nèi)容包括：外觀測(cè)試，反射率測(cè)試，電阻溫度探測(cè)器(RTD)溫度性能測(cè)試，封裝前、后STC條件下的I-V特性測(cè)試、暗態(tài)下的性能測(cè)試、光老化測(cè)試、光穩(wěn)定性測(cè)試，以及光老化后的相關(guān)性能測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 外觀測(cè)試

觀察制備的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池樣品外觀，若金屬外殼無(wú)損傷，玻璃窗口層無(wú)裂痕，EVA膠層無(wú)氣泡、剝離、脫落等現(xiàn)象，窗口視角為163°、厚度為17.0 mm，則符合使用要求。

3.2 反射率測(cè)試

市面上常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的金屬外殼的反射率基本都小于5%，窗口層與金屬層反射率小于10%。現(xiàn)對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池樣品進(jìn)行反射率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 窗口層的反射率測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Reflectivity test result of window layer

從圖6可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池金屬外殼的全波段反射率約為4.5%，可伐合金與玻璃窗口層的全波段反射率約為5%，均符合使用要求。

3.3 RTD溫度性能測(cè)試

將本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池置于穩(wěn)態(tài)溫度環(huán)境箱中，在暗態(tài)無(wú)光條件下，設(shè)定箱內(nèi)溫度為分別10、20、30、40、50 ℃，然后在溫度穩(wěn)定后記錄10 min的RTD溫度，曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，試驗(yàn)中RTD的溫度變化幅度＜5℃，符合使用要求。

圖7 RTD溫度穩(wěn)定性曲線Fig.7 RTD curves of temperature stability

3.4 封裝前、后的I-V特性測(cè)試

為了對(duì)比窗口材料在封裝前、后對(duì)核心的電池電性能的影響，對(duì)比了封裝前的晶體硅太陽(yáng)電池及封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在STC條件下的I-V特性。本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的測(cè)試結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 封裝前的晶體硅太陽(yáng)電池和封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的I-V曲線Fig. 8 I-V curves of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

表1 封裝前的晶體硅太陽(yáng)電池和封裝后的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)表Table 1 Electrical performance parameters of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

從圖8和表1可以看出，封裝后，由于窗口層的存在，到達(dá)太陽(yáng)電池表面的太陽(yáng)輻照度降低，使封裝后標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的短路電流相應(yīng)降低，填充因子由72.08%降至71.93%，但仍大于65%，符合WPVS中對(duì)太陽(yáng)電池的要求。

3.5 暗態(tài)下的性能測(cè)試

對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行暗態(tài)下的漏電流測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

圖9 暗態(tài)下的漏電流曲線Fig. 9 Leakage current curve in dark state

從圖9可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在暗態(tài)條件下存在較小的漏電流，約為0.01 A，符合使用要求。

3.6 光老化測(cè)試

無(wú)溫度控制條件下，將標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在太陽(yáng)輻照度1000 W/m2條件下曝曬2 h，記錄其短路電流隨時(shí)間增加的變化情況，如圖10所示。

圖10 光老化測(cè)試中的短路電流曲線Fig. 10 Short circuit current in light aging test

從圖10可以看出，光老化測(cè)試期間，本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的短路電流基本無(wú)衰減；光照120 min后，短路電流在136～137 mA的范圍內(nèi)浮動(dòng)，符合使用要求。

3.7 光穩(wěn)定性測(cè)試

經(jīng)過(guò)光老化測(cè)試后，記錄本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在STC條件下30 min內(nèi)的短路電流值，即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行光穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 光穩(wěn)定性測(cè)試期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的短路電流曲線Fig. 11 Short circuit current of standard solar cell in light stability test

從圖11可以看出，在光穩(wěn)定性測(cè)試期間，STC條件下本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的短路電流值的最大平均誤差為0.2%，符合使用要求。

3.8 光老化測(cè)試后的相關(guān)性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)光老化測(cè)試后，再次對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的外觀、RTD溫度性能、電性能等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖12和表2所示。

圖12 光老化測(cè)試前、后標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的I-V曲線Fig. 12 I-V curve of standard solar cell before and after light aging test

表2 光老化測(cè)試前、后標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)表Table 2 Electrical performance parameters of standard solar cell before and after light aging test

經(jīng)過(guò)光老化測(cè)試后，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的外觀未發(fā)生變化。從圖12和表2可以看出，其短路電流與填充因子發(fā)生了較小的衰減，功率也僅衰減了0.17%，符合使用要求。

3.9 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池賦值

驗(yàn)收測(cè)試結(jié)束后，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行賦值，對(duì)其光譜響應(yīng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖13所示。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)曲線Fig. 13 Spectral response curve of standard solar cell

從圖13的光譜響應(yīng)曲線可以看出，本標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在光譜300～1200 nm波段下有很好的響應(yīng)，符合標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的使用要求。

4 結(jié)論

本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)室多年測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)WPVS的要求進(jìn)行了細(xì)化和改進(jìn)，提出一種標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池驗(yàn)收測(cè)試方法，并采用該方法對(duì)自主研制的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池進(jìn)行了驗(yàn)收測(cè)試，該方法幾個(gè)重要的性能指標(biāo)為：

1)在結(jié)構(gòu)上，電池窗口視角為163°、厚度為17.0 mm，符合使用要求。

2)在反射率上，電池內(nèi)部可伐合金采用啞光黑噴塑處理，反射率低；窗口層采用紫外線高透過(guò)率的石英玻璃，整體反射率約為5%，符合使用要求。

3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的外觀、反射率、RTD溫度性能、光老化及光穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，均驗(yàn)證了該標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池可以投入使用。

本測(cè)試方法可為其他標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的驗(yàn)收測(cè)試提供適當(dāng)參考。