孫 皓 熊利民/中國計量科學研究院

0 引言

標準太陽電池是指專門標定過的太陽電池，它通過標準太陽光譜輻照度分布，來測量輻照度或設定太陽模擬器輻照度[1]。當太陽模擬器的輻照度發(fā)生變化時，照射在太陽電池上產(chǎn)生的短路電流與太陽模擬器的輻照度之比接近常數(shù)，因此可以通過測量短路電流的大小來獲得總的輻照度強度。目前許多企業(yè)都是通過標準電池或參考電池組件板，來標定其使用的太陽模擬器輻照度大小，使其達到1000 W/m2的光強，進而在這一條件下測試批量化的電池片或電池組件。

由于標準太陽電池量值的準確性與穩(wěn)定性直接關系到被測電池或組件最大功率的確定，因此在制作標準電池時的選材、工藝、封裝及測試各個環(huán)節(jié)都很重要。本文介紹了標準太陽電池的設計制作過程，因該電池增加了溫控及真空密封等功能，故較之國外產(chǎn)品其穩(wěn)定性好，可靠性高。

1 功能及實現(xiàn)

標準太陽電池通常包括封裝外殼、太陽電池、溫度傳感器和保護窗口。其中太陽電池類型、溫度傳感器類型以及保護窗口的材料都是可以選擇的。主要目的都是為了確保太陽電池的壽命及穩(wěn)定性。

基本設計方案：標準太陽電池采用2 cm×2 cm、四角均為90°的單體太陽電池，經(jīng)過老化篩選，選擇穩(wěn)定性好、表面均勻的進行全密封式封裝。太陽電池置于方形鋁基座的中心，并配有一個抗輻照玻璃保護窗口，窗口的封裝采用透明性好、折射系數(shù)與玻璃相近的光敏膠。太陽電池pn結下方裝有溫度傳感器。太陽電池和測溫傳感器均采用四線輸出（圖1）。

圖1 單體太陽電池封裝示意圖

1.1 電池片的老化及篩選

由于多晶硅表面的不均勻性，使得標準太陽電池多采用單晶硅太陽電池。首先選擇表面顏色均勻一致、無隱裂劃傷的電池片，沿兩條主柵線方向從背面進行切割，調(diào)整激光劃片機功率以免擊穿電極，將電池片切割成2 cm×2 cm的尺寸(不包括主柵線寬度)。然后將切割好的樣品置于輻照度為1000±50 W/m2的ELH鹵素燈下，連續(xù)照射20 h后在室內(nèi)存放4 h為一周期，共試驗三個周期。之后測試電池片的I-V特性，選擇填充因子FF大于0.70的電池片用四線開爾文連接方式焊接，導線選擇極細的耐高溫線，焊接時注意不要污染電池片的受光面，焊點要小且牢固。

1.2 玻璃保護窗口的選用

單晶硅太陽電池的光譜響應范圍一般為(300-1100)nm，因此要選用在該波段范圍內(nèi)透過率都較高且較為平坦的玻璃材料作為保護窗口，才能不影響太陽電池的光譜選擇性。另外由于電池片本身面積較小，限制了玻璃窗口的厚度。這里選用1 mm厚的空間抗輻照玻璃蓋片，其透過率在(400-1100)nm波段內(nèi)均大于91%，如圖2所示。

圖2 空間抗輻照玻璃蓋片透過率曲線

由于薄膜電池的響應時間長，光致衰減現(xiàn)象明顯，使其不適合作為標準器件進行量子傳遞。而不同類型電池相互標定時，由于光譜響應度不同，導致光譜失配問題嚴重，因此研制一種性能穩(wěn)定的模擬非晶硅電池成為必要。薄膜電池的光譜響應主要集中在可見波段，峰值波長在500 nm左右，選用如圖3所示的青藍色玻璃作為濾光片配合單晶硅太陽電池，即可模擬薄膜電池的輸出曲線。

圖3 青藍色玻璃透過率曲線

1.3 溫度傳感器及控溫設計

溫度傳感器采用一級Pt100鉑電阻，由四線Kelvin連接方式進行焊接，用絕緣導熱硅膠將其附著在太陽電池背后。封裝外殼整體采用陽極電鍍鋁材料，內(nèi)部設計有密閉多路循環(huán)水槽基座，基座緊貼測溫傳感器，因此可以快速測溫控溫?；羞M出兩個水嘴可以連接到恒溫水槽。

1.4 電池片的封裝

選擇網(wǎng)紋EVA和黑色啞光面PET作為封裝材料。首先將其裁剪成規(guī)定大小，按照組件的封裝方式進行鋪設，即玻璃—EVA—電池片—EVA—PET，然后放入真空干燥箱內(nèi)進行層壓，待EVA固化后將其取出。電池片和溫度傳感器的輸出端均采用四芯航空插頭引出（圖4）。

圖4 單晶硅、模擬非晶硅太陽電池成品圖

2 使用方法

將太陽電池水平放置在太陽模擬器下，進出端的水嘴分別接到恒溫水箱上，調(diào)整其設定溫度，使水溫恒定在25±1℃。將溫度傳感器的信號輸出端連接到熱敏電阻測溫儀，實時監(jiān)控太陽電池的溫度變化來調(diào)整水箱的溫度。如果測試光源為瞬態(tài)太陽模擬器，則不需要水冷控溫。將太陽電池的信號輸出端接入I-V曲線測試儀或電流計，開啟模擬器并調(diào)整其輻照度輸出，記錄太陽電池的短路電流變化。當太陽電池的短路電流達到其標稱的短路電流值時，認為此時太陽模擬器輸出為1000 W/m2。

3 實驗結果分析

太陽電池的計量項目通常包括兩方面：光譜響應度測試和I-V特性曲線的測量，由此可以計算出太陽電池在標準太陽光譜條件下的短路電流和標定值。標準測試條件為輻照度1000 W/m2，光譜采用AM1.5G標準太陽光譜，測試溫度25℃。

3.1 光譜響應度及量子效率

太陽電池的光譜響應度和量子效率，對分析太陽能電池的工藝問題以及研究電池片的性能有重要的參考價值（圖5、6、7）。光譜響應度定義為在規(guī)定的波長上，太陽電池輸出的短路電流與照射到該電池表面的輻照度之比。由光譜響應數(shù)據(jù)可以推算出量子效率 η(λ)，公式：η(λ)=1240×R(λ)/λ。 (1)

圖5 太陽電池光譜響應度測量裝置

圖6 單晶硅電池的光譜響應及量子效率曲線

圖7 模擬非晶硅電池的光譜響應及量子效率曲線

太陽電池的標定值CV定義為在標準測試條件下，標準太陽電池的短路電流與輻照度之比。當太陽電池的短路電流等于其標定值時，即可認為太陽模擬器的輻照度達到一個太陽常數(shù)，即1000 W/m2。由于沒有與標準AM1.5G太陽光譜分布完全一致的光源，因此無法直接測量出太陽電池在標準太陽輻照條件下的短路電流。但通過測量太陽電池的光譜響應度R(λ)，將其與標準AM1.5G光譜輻照度分布S(λ)相乘并積分，可以理論計算得到短路電流密度，然后乘以電池的有效受光面積即可得到短路電流：

其中Jsc— 短路電流密度，單位A/m2；

R(λ)— 光譜響應度，單位 A/W；

S(λ)— 光譜輻照度分布，單位 W/m2/nm；

Isc— 短路電流，單位A；

A—電池有效受光面積，單位m2。

3.2 I-V特性曲線

太陽電池的典型輸出曲線如圖8、圖9，通過I-V特性曲線可以得出許多重要參數(shù)，包括開路電壓VOC、短路電流ISC、最大功率Pmax、最大功率時對應的電流Imax和電壓Vmax、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η等。

圖8 室內(nèi)戶外太陽電池I-V特性測量裝置

圖9 太陽電池的I-V特性曲線

在太陽模擬器條件下測量電池的I-V特性時，輻照度大小可由理論計算出的標準電池短路電流值來設定，并通過光譜失配因子M進行修正。將標準電池放置在太陽模擬器下，保證其溫度恒定在25℃左右，測量短路電流。調(diào)整模擬器的輸出功率，當電池短路電流達到修正后的理論短路電流值時，即可認為模擬器的輸出為1000 W/m2。表1為兩個測試樣品在一個太陽常數(shù)下的實測I-V曲線特征值。

表1 兩類電池的I-V曲線特征值

3.3 ISC及VOC的溫度系數(shù)

首先連接太陽電池的溫控和測溫裝置，水箱溫度設置在25±1℃，然后將太陽模擬器的輻照度調(diào)整到1000 W/m2，測量太陽電池的開路電壓和短路電流。不斷將水箱溫度升溫，待溫度穩(wěn)定后依次測量開路電壓和短路電流，直至達到所需溫度范圍的最高點。然后用統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)，畫出短路電流及開路電壓的溫度曲線。在所需溫度范圍的中點求出兩條曲線的斜率，即為短路電流溫度系數(shù)α和開路電壓溫度系數(shù)β。圖10、圖11為兩個測試樣品的實測溫度曲線。由圖中可以看出短路電流隨溫度變化不大，而開路電壓隨溫度升高線性下降。小范圍內(nèi)溫度的浮動對兩個參數(shù)影響都不明顯。

圖10 單晶硅太陽電池的溫度系數(shù)曲線

圖11 模擬非晶硅太陽電池的溫度系數(shù)曲線

[1]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB/T 6495-1996[S].北京：中國標準出版社，1996.

[2]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 11009-1989[S].北京：中國標準出版社，1989.

[3]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 11011-1989[S].北京：中國標準出版社，1989.

[4]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 6497-1986[S]. 北京：中國標準出版社，1986.

[5]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 6492-1986[S].北京：中國標準出版社，1986.

[6]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 6494-1986[S]. 北京：中國標準出版社，1986.

[7]全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術委員會. GB 6496-1986[S]. 北京：中國標準出版社，1986.