自主研制的标准太阳电池的验收测试

2020-10-09王顺权朱冰洁

太阳能 2020年9期

王顺权，朱冰洁，王亿，宋昊

(无锡市产品质量监督检验院，无锡 214101)

0 引言

众所周知，标准太阳电池作为光伏行业中的标准器件，对太阳电池及光伏组件起到非常重要的量值溯源的作用。标准太阳电池是标定太阳模拟器辐照度的重要依据，通过其标定太阳模拟器的辐照度，进而才能测试出光伏器件在标准测试条件下的电性能。因此，标准太阳电池的性能稳定性、数据准确性对太阳电池和光伏组件的测量具有十分重要的影响。

标准太阳电池在正式投入使用前，必须经过一系列的验收测试[1]。目前，主流的标准太阳电池制造商主要是欧美和日本的厂商，以及我国少数几家研究机构，所生产的标准太阳电池性能参差不齐，并且对于该类电池的验收也无统一的标准。本文结合现有规范建议，融入实验室多年测试经验，针对自主研制的标准太阳电池展开了验收测试，进行了相关验收试验，获得了良好的试验结果。

1 标准太阳电池的结构与制备

本文采用自主研制生产的标准太阳电池进行验收试验[2]，其结构图如图1所示。该标准太阳电池自上至下的结构为石英玻璃、铝合金上盖板、晶体硅太阳电池、可伐合金基板、铂电阻Pt100、LEMO连接器、铝合金基底，以及铝合金后盖板。

图1 标准太阳电池的结构图Fig. 1 Structure of standard solar cell

本标准太阳电池的最核心部分为晶体硅太阳电池，选用了效率较高的单晶硅太阳电池。单晶硅太阳电池在投入使用前必须进行稳定性处理，然后切割成20 mm×20 mm的正方形，切割时需保证主栅线位于电池边缘，对电池边缘进行绝缘处理后，将电池正、负极用引线引出。

本标准太阳电池采用紫外线高透过率的石英玻璃作为窗口层，在对玻璃表面进行精抛光后，其在波长为300～1200 nm范围内的透过率可超过91%，具体如图2所示。

图2 本标准太阳电池采用的石英玻璃的表面透过率曲线Fig. 2 Surface transmittance of silica glass used in standard solar cell

本标准太阳电池主体部分采用铝合金，为了降低铝合金表面的反射率，需对铝合金表面进行硬质氧化处理。单晶硅太阳电池衬底采用线性膨胀系数与单晶硅太阳电池相近的可伐合金，按照石英玻璃、EVA、太阳电池、EVA可伐合金的顺序进行层压。在层压前，对可伐合金表面进行了哑光黑喷塑处理，可降低可伐合金对光线的反射，处理后在波长300～1200 nm范围内可伐合金表面的反射率均低于5%。可伐合金表面的反射率曲线如图3所示。

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

本标准太阳电池的温度传感器选用阻值漂移较小的铂电阻，其采用四线连接法与LEMO连接器连接，紧贴于可伐合金背面，由于可伐合金的厚度较薄，因此该铂电阻可以灵敏地反映太阳电池的温度变化。2个LEMO连接器分别与太阳电池和铂电阻连接，并固定于铝合金基底的同侧。

最后，将上述部件进行层压、电气焊接与壳体安装，制备成完整的标准太阳电池，实物图如图4所示。

图4 标准太阳电池实物图Fig. 4 Picture of standard solar cell

2 验收测试方案

完整的标准太阳电池制备完成后，需要对电池进行验收测试，并且通过测试后才能投入使用。在IEC 60904-2:2007标准中[3]，对标准太阳电池的外观视角及结构做出了较为广泛的要求，如图5所示。

图5 IEC 60904-2:2007标准中对标准太阳电池外观及结构的要求Fig.5 Requirement for appearance and structure of standard solar cell in IEC 60904-2:2007

国际上为了便于各个实验室对标准太阳电池进行校准，世界光伏基准(WPVS)[4]统一了标准太阳电池的设计及验收的流程要求。依据这一要求并结合测试经验，将WPVS的要求进行了细化和改进，形成了一套完整的标准太阳电池验收测试方法。利用该方法对制备的成品标准太阳电池进行了验收测试，具体测试内容包括：外观测试，反射率测试，电阻温度探测器(RTD)温度性能测试，封装前、后STC条件下的I-V特性测试、暗态下的性能测试、光老化测试、光稳定性测试，以及光老化后的相关性能测试。

3 结果与分析

3.1 外观测试

观察制备的标准太阳电池样品外观，若金属外壳无损伤，玻璃窗口层无裂痕，EVA胶层无气泡、剥离、脱落等现象，窗口视角为163°、厚度为17.0 mm，则符合使用要求。

3.2 反射率测试

市面上常见的标准太阳电池的金属外壳的反射率基本都小于5%，窗口层与金属层反射率小于10%。现对本标准太阳电池样品进行反射率测试，测试结果如图6所示。

图6 窗口层的反射率测试结果Fig. 6 Reflectivity test result of window layer

从图6可以看出，本标准太阳电池金属外壳的全波段反射率约为4.5%，可伐合金与玻璃窗口层的全波段反射率约为5%，均符合使用要求。

3.3 RTD温度性能测试

将本标准太阳电池置于稳态温度环境箱中，在暗态无光条件下，设定箱内温度为分别10、20、30、40、50 ℃，然后在温度稳定后记录10 min的RTD温度，曲线如图7所示。

从图7可以看出，试验中RTD的温度变化幅度＜5℃，符合使用要求。

图7 RTD温度稳定性曲线Fig.7 RTD curves of temperature stability

3.4 封装前、后的I-V特性测试

为了对比窗口材料在封装前、后对核心的电池电性能的影响，对比了封装前的晶体硅太阳电池及封装后的标准太阳电池在STC条件下的I-V特性。本标准太阳电池的测试结果如图8和表1所示。

图8 封装前的晶体硅太阳电池和封装后的标准太阳电池的I-V曲线Fig. 8 I-V curves of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

表1 封装前的晶体硅太阳电池和封装后的标准太阳电池的电性能参数表Table 1 Electrical performance parameters of crystalline silicon solar cell before packaging and standard solar cell after packaging

从图8和表1可以看出，封装后，由于窗口层的存在，到达太阳电池表面的太阳辐照度降低，使封装后标准太阳电池的短路电流相应降低，填充因子由72.08%降至71.93%，但仍大于65%，符合WPVS中对太阳电池的要求。