朱林濤，馬鵬飛，張迎春，李國(guó)林

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

太陽(yáng)能(Solar)是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量，是各種再生能源中最重要的基本能源，也是人類(lèi)可以利用的最豐富能源，太陽(yáng)每年照射到地面的能量大約為全世界1年能耗的1萬(wàn)多倍，可以說(shuō)是“取之不盡，用之不竭”的能源。太陽(yáng)能光伏是利用太陽(yáng)能電池片直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，電池片有兩層半導(dǎo)體，一層是正極，一層是負(fù)極，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，兩極交界處產(chǎn)生電流，且光強(qiáng)越強(qiáng)，電流越大。太陽(yáng)能電池片組成的光伏組件系統(tǒng)可以在任何地方快速安裝，并且沒(méi)有任何污染，使用壽命長(zhǎng)，這些優(yōu)點(diǎn)使得太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。

在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中，電池片轉(zhuǎn)換效率的高低成為了評(píng)估電池片好壞的重要因素，目前理論的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24%，但是在工業(yè)產(chǎn)業(yè)中，只有15%，單晶硅電池片的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)19%左右。

我所研制的全自動(dòng)測(cè)試分選線是太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)工藝的一種專(zhuān)用設(shè)備，它主要用于太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)模擬太陽(yáng)光譜光源，對(duì)電池片的相關(guān)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果將電池片進(jìn)行分類(lèi)，專(zhuān)門(mén)用于太陽(yáng)能單晶硅和多晶硅電池片的分選篩選。

本文將探討在該太陽(yáng)能電池片測(cè)試分選機(jī)中，測(cè)試機(jī)構(gòu)組成，測(cè)試原理，以及對(duì)影響電池片轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行分析，如何能在現(xiàn)有的電池片加工工藝基礎(chǔ)上，減少由于測(cè)試機(jī)構(gòu)本身的因素對(duì)電池片轉(zhuǎn)換效率的影響，以便于能更精準(zhǔn)測(cè)量相關(guān)電參數(shù)，準(zhǔn)確地對(duì)電池片進(jìn)行分檔。

1 測(cè)試機(jī)構(gòu)的組成

測(cè)試機(jī)構(gòu)即測(cè)試探針臺(tái)的組成：由上探針組件，下探針組件，直線電機(jī)，保護(hù)氣缸，減壓閥等。

1.1 上探針組件

上探針組件平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由固定架，匯流排，夾塊，刻線標(biāo)牌等組成。

圖1 上探針組件平面結(jié)構(gòu)

根據(jù)太陽(yáng)能電池片規(guī)格對(duì)應(yīng)地調(diào)整上探針組件：通過(guò)移動(dòng)夾塊，夾塊帶動(dòng)上探針組件可方便于導(dǎo)向型材中移動(dòng)來(lái)固定探針架的位置，調(diào)整到位后，鎖緊夾塊中的緊固螺釘，使得探針排在測(cè)試過(guò)程中下落時(shí)匯流排與電池片的主柵極線對(duì)正接觸。

1.2 下探針組件

下探針組件平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由浮臺(tái)，固定架，匯流排，監(jiān)控片組成。

圖2 下探針組件平面結(jié)構(gòu)

根據(jù)電池片規(guī)格相應(yīng)地調(diào)整下探針匯流排，調(diào)整到位后，鎖緊夾塊中的緊固螺釘，使得探針排在測(cè)試過(guò)程中探針正好位于電池片背面的主柵極上。同時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)整螺釘，使得監(jiān)控片的上平面與電池片上平面等高。其中機(jī)械定位裝置用于保證前后的兩個(gè)浮臺(tái)上平面等高，避免在探針下壓過(guò)程中由于電池片傾斜而被壓裂。

1.3 保護(hù)氣缸與減壓閥

通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥，來(lái)控制保護(hù)氣缸平衡力的大小，減輕運(yùn)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載大小，同時(shí)也影響在上探針排運(yùn)動(dòng)到電池片表面，換成壓力模式時(shí)的壓力大小，使得探針排對(duì)電池片既能有足夠的壓力，又不至于因壓力過(guò)大而導(dǎo)致電池片的隱裂，從而保證測(cè)試精度。

太陽(yáng)光模擬器是模擬太陽(yáng)光，垂直照射待測(cè)電池片。

電子負(fù)載：連接電池片，標(biāo)準(zhǔn)電池片（監(jiān)控片）以及溫度傳感器探頭，以此獲取待測(cè)電池片的電壓，電流數(shù)據(jù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電池片獲取光強(qiáng)信息，通過(guò)溫度傳感器獲取測(cè)試環(huán)境的溫度。

2 測(cè)試機(jī)構(gòu)工作流程

太陽(yáng)能電池片經(jīng)過(guò)傳輸裝置(傳輸導(dǎo)軌)傳至測(cè)試臺(tái)工作位，預(yù)對(duì)準(zhǔn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)一定的位移量來(lái)夾緊電池片，使得電池片的主柵極與測(cè)試探針排對(duì)齊，然后對(duì)夾電機(jī)運(yùn)動(dòng)至初始位，松開(kāi)電池片；測(cè)試臺(tái)上探針組件在直線電機(jī)的控制下以位置模式運(yùn)動(dòng)至電池片表面，再換成壓力模式繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，上探針組件的長(zhǎng)定位螺釘壓浮臺(tái)，使得電池片懸空，探針壓縮至50%至70%（見(jiàn)圖3）。

圖3 工作流程

表征太陽(yáng)能電池片性能的參數(shù)：

開(kāi)路電壓Uoc：在某特定的溫度和光強(qiáng)下，光伏發(fā)電器在開(kāi)路狀態(tài)下的端電壓；

短路電流Isc：在某特定的溫度和光強(qiáng)下，光伏發(fā)電器在短路狀態(tài)下的輸出電流；

最大功率點(diǎn)Pmpp點(diǎn)：IV曲線上對(duì)應(yīng)最大功率的點(diǎn)；

轉(zhuǎn)換效率N：受到光照的太陽(yáng)電池片的最大功率與入射到該電池片上的全部輻射功率的百分比，它是評(píng)估電池片好壞的重要因素；

填充因子FF：太陽(yáng)電池片的最大功率與開(kāi)路電壓、短路電流乘積之比，它是表征電池片性能優(yōu)劣的重要參數(shù)；

串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻。

3 簡(jiǎn)述電池片電參數(shù)測(cè)量原理

兩階閃光：一次閃光持續(xù)時(shí)間為10 ms，光強(qiáng)分別為1 000 W/m2和5 00 W/m2兩個(gè)階段，這樣兩階閃光會(huì)產(chǎn)生兩條伏安曲線，如圖4所示。

通過(guò)曲線可以計(jì)算出串聯(lián)電阻，經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻測(cè)試盒及其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以測(cè)量出Uoc，Isc，Pmpp，F(xiàn)F，N 等電性能參數(shù)，如圖5所示。

這些電參數(shù)，是判定電池片的好壞以及分檔的重要依據(jù)。

圖4 閃光階段伏安曲線測(cè)量圖

圖5 電池片電參數(shù)測(cè)量指標(biāo)

4 影響電池片性能參數(shù)測(cè)量的因素分析

4.1 光強(qiáng)

短路電流Isc與光強(qiáng)成正比，開(kāi)路電壓Uoc與光強(qiáng)成對(duì)數(shù)關(guān)系。由于在測(cè)量過(guò)程中，電池片的能量來(lái)源于模擬太陽(yáng)光，光強(qiáng)的穩(wěn)定與否直接會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。這是因?yàn)?，光?qiáng)改變，進(jìn)入電池片的光子數(shù)目發(fā)生變化，從而相應(yīng)被激發(fā)的電子數(shù)目也發(fā)生變化。而暗場(chǎng)環(huán)境的好壞直接影響到光照的強(qiáng)度和光譜的分布。為了獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)與均勻的光譜，模擬太陽(yáng)光發(fā)光器下表面距測(cè)試臺(tái)的高度應(yīng)該保持在95 cm 以上，最佳的暗場(chǎng)條件是盡可能地減少因模擬太陽(yáng)光的反射與散射所造成的損耗。

4.2 環(huán)境溫度

電壓的變化與電池片溫度呈線性關(guān)系，電池片溫度升高時(shí)，開(kāi)路電壓Uoc減小，而短路電流Isc略微上升。為了保證電池片在傳遞至工作位時(shí)的溫度為室溫（25℃），電池片從燒結(jié)爐中傳遞至上料機(jī)，在上料機(jī)空間內(nèi)可以加2個(gè)冷卻風(fēng)扇，相對(duì)地增大上料機(jī)傳遞區(qū)域的空氣流動(dòng)，以加速電池片冷卻至室溫，使得測(cè)量出來(lái)的Uoc與Isc更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

4.3 探針與電池片的接觸

電池片在測(cè)量過(guò)程中需要保持懸浮，探針垂直于電池片表面。如果探針的壓縮量過(guò)小，它與電池片的接觸不夠理想，會(huì)使探針架和導(dǎo)線內(nèi)部的接觸電阻變的過(guò)大而無(wú)法補(bǔ)償，反映在曲線上就是短路電壓處出現(xiàn)缺口，如圖6所示。

圖6 探針接觸不良所實(shí)測(cè)的IV曲線

5 測(cè)試過(guò)程中的問(wèn)題及分析

（1）在測(cè)量的曲線上，發(fā)現(xiàn)在最大功率點(diǎn)后的U-I曲線出現(xiàn)振蕩而不是平滑的曲線，說(shuō)明上下匯流排的探針接觸有問(wèn)題，一方面查看上下探針的收縮量是否達(dá)到70%，另一方面也有可能是探針并沒(méi)有與電池片的主柵極線正對(duì)，這時(shí)需要重新調(diào)整匯流排的位置。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用方波形的銅條代替下探針的匯流排，能夠保證完好的接觸和理想的探針壓縮量，曲線變得平滑；

（2）開(kāi)路電壓Uoc的測(cè)量結(jié)果偏差比較大，由于影響它的因素主要是環(huán)境溫度和電池片本身的溫度，理想的環(huán)境溫度是25℃，當(dāng)試驗(yàn)溫度超過(guò)或低于25℃，可以通過(guò)對(duì)溫度的補(bǔ)償，來(lái)消除這種因溫度原因而造成的Uoc偏差；

（3）短路電流Isc的測(cè)量結(jié)果偏差比較大，在多次測(cè)量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池片隱裂的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)Isc偏差較大；每次曝光時(shí)的光強(qiáng)不同，Isc也會(huì)有較大的偏差，為了消除這種偏差，一方面要調(diào)整輸出壓力，使探針在壓縮電池片過(guò)程中不會(huì)因壓力過(guò)大造成電池片隱裂，另一方面要調(diào)整好光強(qiáng)，使得每次曝光的光強(qiáng)穩(wěn)定，光譜均勻；

（4）在多次對(duì)同一片電池片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量的結(jié)果有一定的偏差，變化最大的填充因子，為了既保證測(cè)量的重復(fù)度，同時(shí)又不至于損壞電池片，在保證環(huán)境溫度，光照強(qiáng)度的前提下，單片電池片的測(cè)量次數(shù)不宜過(guò)多。

（5）由于電池片本身，上下探針組架以及暗場(chǎng)四壁等的反射與散射，會(huì)造成分布在電池片上的太陽(yáng)光損耗，使得在測(cè)試過(guò)程中，實(shí)際檢測(cè)到的光強(qiáng)達(dá)不到1 000 W/m2，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。在實(shí)驗(yàn)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，在暗場(chǎng)中布置黑幕能夠有效地減少因電池片傳送裝置、暗場(chǎng)四壁、電池片本身等環(huán)境因素造成的太陽(yáng)光的反射與散射，進(jìn)而保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能電池片測(cè)試分選機(jī)包括上料機(jī)、測(cè)試機(jī)和分選機(jī)，整條線完成了對(duì)電池片電性能參數(shù)的測(cè)量與分檔，是光伏產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。我所生產(chǎn)的全自動(dòng)太陽(yáng)能電池片測(cè)試分選機(jī)，傳輸機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，碎片率很低，測(cè)試機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量精準(zhǔn)度高，每小時(shí)可以完成對(duì)1 500 片電池片的測(cè)試與分選，大大地提高了生產(chǎn)效率。

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