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光伏组件龙背扫描功率测试方案研究

2022-10-27陈为兴

电气技术与经济 2022年5期
关键词:测试方法电容组件

陈为兴 黄 征

(浙江晶科能源有限公司)

0 引言

随着高效太阳能电池技术的成熟和市场对于高品质产品的追求,高效率低成本,且具有可大规模量产的太阳能电池技术开发,已成为必然趋势(N型Top,IBC,HJT)[1]。

太阳电池光电性能是衡量其性能优劣的关键指标,主要体现在伏安特性曲线(即I-V曲线)上,参考包括短路电流,开路电压,最大功率,最佳工作电压,最佳工作电流,填充因子和转换效率等。以及国际标准EC-60904-1,太阳电池组件的I-V曲线校准在标准测试条件STC下进行,或修正到STC条件,即温度25°C);辐照度1000W/m2;AM1.5标准光谱。实验室和生产线通常采用太阳模拟器法测量太阳组件的I-V。此方法操作方便,不受外界自然天气的影响[2]。

相较于常规组件,高效组件有着明显的电容效应。电容效应:即相当于在二极管模型中并联了一个电容器,电容发电的电量与两端的电压成正比,电容的存在会使太阳电池组件在测试时,对光强变化和外在电路电压变化的响应时间延长,给测试结果带来影响。基于功率测试的准确性,提出了更高的要求,对于光伏组件测试方案要有更多的探索与优化。

本文从高效太阳电池结构,结合龙背扫描测试方法改进,获得高电容光伏组件精确I-V测试方法。

1 高电容组件IV测试失真原理

目前市面上太阳能电池片受材料的扩散密度,扩散电容随外电压成指数型变化,IV测试过程中扩散电容动态变化。

在进行组件测试的时候,给组件外加偏置电压,由于PN结的存在,PN结内储存的电荷量发生变化,这称为势垒电容,如图1所示。

图1 太阳能电池等效电路图

PN结正向导电时,少子会扩散到对方空穴区域,积累的电荷随着外加电压的变化而变化,电压越大,电流越大,此时要求更多的载流子来满足电流加大的要求。

如果电压减小,此时电子和空穴就会减少。此时就在电压变化的情况下PN结果形成了“充入”“放出”的电容效应。

Isc⇒Voc外电压变大,负载由0~∞,Cd变大,为电容充电,测试电流偏小。

Voc⇒Isc外电压变小,负载由∞~0,Cd变小,为电容放电,测试电流偏大。

dv/dt>0时正向扫描测量值小于实际值,dv/dt<0时反向扫描测量值大于实际值。

控制电压变化速度(dv/dt)成为IV测量准确的关键点(dv/dt≈0):

C值越大,要求dv/dt值很小,需要IV测试时间长,典型代表:HJT,N型Top Con等高电容电池。

2 动态IV测试(龙背测试简称DB)

某厂家推出具有动态IV测试模式设备,该测试模式在不改变测试时间的情况下,将传统的线性电压扫描方式变为阶梯状电压扫描方式,如图2所示。

图2 台阶状扫描电压

整个电压扫描曲线有多个类似台阶状的扫描电压组成,在每个台阶的起始部位设置合理的峰值及宽度,当电池电容充放电结束时,保持电压不变,短时间内电压变化为0,完全消除干扰电流,从而能在最大功率点附近取得稳定的电流值。然后根据所有台阶的测试值绘制IV曲线,得到光伏组件的电性能参数[3]

3 三种IV测试方法稳定性对比

分别选用A厂家宽脉冲扫描40ms,B厂家磁滞扫描(20ms),C厂家龙背扫描。

3.1 实验方案

选择某一线厂家N型Top con组件。

三种测试方法(A:宽脉冲扫描40ms,B:磁滞扫描20ms,C:龙背扫描)。

测试同一N型Top con组件,每种扫描方式在STC条件下(AM1.5,1000W/m2,25℃)测试20次电性能。判定稳定公式:[(MAX-MIN)/(MAX+MIN)×100]

3.2 结果对比

龙背扫描(0.08%)>磁滞扫描(0.05%)>宽脉冲(0.04%),Pasan(龙背扫描)结果偏弱,如图3所示。

图3 测试功率稳定性结果

3.3 测试结果分析

通过查看龙背扫描20次测试数据,电流稳定性偏弱,如图4所示,分析由于龙背测试时间仅为10ms,电池偏压由0快速上升至Voc,载流子浓度会增加,多余的电子移向P区,多余的空穴流向N区,N区高效电池容性较大,造成电性能采集磁滞性。

图4 测试电流稳定性结果

龙背扫描根据组件电压自动设置电压台阶分布,但是在10ms内,可分布的台阶数目有限,如果组件电容性过大,在有限的台阶数量内,台阶上的取点有效数据有限,可能导致无法完全取得稳定的准确点,如图5所示。

图5 龙背电压扫描电流波动

3.4 测试方法改善——龙背扫描叠加双闪测试

由于和分段测试延长测试时间的不同,最大功率点修正测试由两次闪光测试完成,也称为双闪测试,第一次闪光进行整个I-V曲线扫描测试,然后由软件分析获得最大功率点,在最大功率点附近在进行第二次闪光测试[4](10ms+10ms,间隔15s),得到最大功率附近的精确测量结果。

经升级测试方法,重新测试20次电性能数据对比功率稳定性:升级后两次扫描龙背扫描(0.05%)=磁滞扫描20ms(0.05%)>宽脉冲40ms(0.04%)。

龙背扫描叠加双闪测试较升级前功率稳定性提高0.03%,如图6所示,电流稳定性提升0.08%,如图7所示。

图6 测试功率稳定性结果

图7 测试电流稳定性结果

4 结束语

为实现光伏平价上网的基础,研制新结构、开发新工艺一直是光伏电池生产制造中的重要环节[5]。N型Top con高效电池相比传统P型晶体硅电池具有少子寿命高、无光致衰减及温度系数小等优点,是当前光伏电池技术研究的热点之一。

由于市场上新出现的高电容,高效率电池组件,传统较窄脉冲测试仪器带来的IV曲线分离,以及稳定性较差已不能满足测试要求。

采用龙背扫描叠加双闪测试(10ms+10ms),来解决脉宽较短(10ms)内分布的台阶数目有限,组件电容性过大,台阶上的取点有效数据有限,导致无法完全取得稳定的准确点,带来功率电流稳定性较弱的缺点。

减少对N型Top光伏组件测试结果的影响,获得该类光伏组件电性能的精准测试方法,可解决N型Top高电容光伏组件的测试问题。

同时龙背扫描叠加双闪测试具有以下特点:短脉冲扫描,调制电子负载电压曲线。

优点:IV测试准确性增加,稳定性提高。

缺点:针对不同工艺调制电压曲线,通用性差,测试点数少。而且双闪测试带来的测试时间较长,以及灯管使用次数增加等维护成本的增加也需要重视。

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