n 型太阳电池组件的电性能测试技术研究

摘要：高效率、高电容的n型太阳电池组件成为目前光伏界发展的趋势，但常规瞬态I-V测试仪脉冲时间一般为5-20ms，进行该类组件测试时，会引起测试曲线的失真，从而诱使开路电压、填充因子、最大功率出现偏差。针对这一现象，本文从电池结构和测试机理上分析了产生这种偏差的原因，提出解决该问题的关键方法。并采用宽脉冲测试、多次闪光测试、动态I-V测试等测试方法，对双面电池、IBC电池等n型电池组件进行了测试，研究了不同测试方法和电池电容对组件测试结果的影响，这对该类型的组件的测试具有一定的指导意义。

1

引言

　　在过去的30多年里，瞬态I-V测试以其优异的辐照度均匀性，较短的测量时间，良好的温度稳定性，一直用于光伏组件的批量生产测试。然而近年来，由于N型电池组件应用的加大，特别是指交叉背接触（IBC）电池组件、HIT（HeterojunctionwithintrinsicThinlayer）电池组件的出现，其大的电容使太阳电池组件在现有的短脉冲（5-20ms）瞬态I-V测试时对光强变化和外路电压变化的响应时间延长，出现I-V曲线凹陷[1]和I-V曲线分离等现象，造成测量结果偏离电池组件的真实值。为了解决电池电容效应对I-V测试结果的影响，实现N型高电容电池组件的精准测试，本文从电池结构和I-V测试原理出发，结合现有的测量模式，研究了不同测试方法和电容效应对n型电池组件测试结果的影响，获得了n型高电容电池组件的精确I-V测试方法。

2

光伏组件I-V测试失真的机理及解决方案

　　IV曲线的失真主要来源于高频作用下pn结的电容效应。pn结的结电容主要受材料的扩散长度、掺杂浓度等的影响。由于N型电池的少子寿命是P型电池的数十倍甚至百倍，这使得N型电池的电容大于P型电池电容1到2个数量级，图1给出了不同类型电池组件的电容等级。因此，在进行N型电池测试时，必须考虑电容的影响。太阳电池的电容包括势垒电容（Cj）和扩散电容（Cfc）。图2为太阳电池的工作原理图[2]。

　　令C=Cj Cfc，由图2知，I=Iph-Id-Ish-IC=Iph-Id-Ish-d(CVj)/dt=Iph-Id-Ish-Cd(V IRs)/dt-(V IRs)dC/dt（1）

　　为了计算方便，我们忽略串联电阻的影响，和电容随测量时间即测量电压的变化，则公式（1）可以简化为I=Iph-Id-Ish-d(CVj)/dt=Iph-Id-Ish-CdV/dt（2）

　　瞬态测试时，相当于给电池两端加一个随测试时间变化的正向偏压V，电容随着偏压的变化进行充电或放电，从而影响测量值。采用正向测试（ISC-Voc），V一直增加，公式（2）中的dV/dt＞0，相当于给电容器充电，此时测量电流I小于实际电流，从而引起开路电压和测试功率的降低[3]；采用反向测试时（Voc-ISC），V一直减小，公式（2）中dV/dt＜0，相当于给电容器放电，此时测量电流I大于实际电流，使得开路电压和测试功率大于真实值[3]。测试时间越短偏差越大，具体测量曲线如图3所示。

　　从以上分析来看，要想消除电容效应对I-V测试结果的影响，一是减小电池电容，对于N型电池组件，这种可能性不存在；

　　二是使dV/dt的值变小，尽量接近零。对于这个问题，我们可以通过延长测试时间或改变电压扫描方式来实现。目前常见延长测试时间的I-V测试模式有稳态测试，瞬态测试中的分段测试[3]、宽脉冲测试和最大功率点修正测试（双闪测试），改变扫描电压的测试模式主要是美国Sinton.R提出的动态I-V测试。

3

不同测试模式下测试验证和分析

　　根据上述分析，我们采用稳态模拟器（厂家：金盾），瞬态模拟器（厂家：Pasan）中的多次闪光模式、双闪模式、动态IV模式，瞬态宽脉冲模拟器（厂家：陕西众森）对N型双面电池、IBC电池、HIT电池进行了测试验证及分析，主要结论如下。

　　3.1稳态测试

　　稳态模拟器使用一个稳态光源作为太阳模拟器的光源，能够提供稳态光的输出。测量数据的采集时间不再受光源的影响，可以保证测试时间足够长，以消除电容效应对测试结果的影响。因此适用于大电容电池组件的测试。

　　在本文中，我们采用金盾稳态模拟器和Pasan瞬态模拟器（闪光时间为10ms）对IBC电池组件进行功率测试。表1测试结果显示，采用稳态模拟器的最大测试功率，比常规10ms脉冲瞬态模拟器的测量值高出11.3W，说明常规10ms瞬态模拟器不适于高电容太阳电池组件的测试。

　　然而，稳态模拟器由于测试时间长，易导致组件温度升高，因此需要专门的冷却系统，以保持组件温度的稳定。同时设备耗电大，灯管寿命短，价格贵且维护费用高。因此只适用于研发、实验室，不适于光伏组件生产线的使用。

　　3.2宽脉冲测试

　　相较于稳态模拟器，瞬态模拟器耗能小、价格低、维护率低、无需控温系统等特点使其成为目前电池组件生产中主流的I-V测试设备。然而，目前常用的10ms瞬态模拟器难以满足IBC、HIT、多结等大电容电池组件的测试。为了解决这一问题，许多设备厂家采用LC充放电网络等方法获得100ms左右的亚稳态脉冲，延长了测试时间，基本消除了电容效应对I-V测试结果的影响。但灯管寿命随着脉冲时间（或脉冲宽度）的增加而缩短，因此获得适当的脉冲时间，对组件精准测试和减小测试成本十分重要。在本文中，我们采用陕西众森的宽脉冲模拟器，在不同的脉冲时间下，对IBC电池组件进行了I-V测试，并和标准值进行了对比，如表2。

　　IBC电池组件功率值和测试误差随脉冲时间的变化如图4所示。从图中看出，在10ms的测试脉宽时，IBC电池组件的测试功率远小于真实值，测试误差达到6.7%，说明电容效应对短脉冲测试的影响非常明显。而随着脉冲时间的增加，IBC电池组件的测试功率逐渐增加，并在50ms时基本趋于稳定，此时测试误差仅为0.48%。这说明该电池组件至少需60ms的脉宽才能有效的消除电容效应。要实现精确测量脉宽应不小于60ms。根据组件电容的级别，可以推测，N型双面需要30-40ms的脉冲时间即可实现组件的精确测试，HIT电池组件则要用100ms以上的脉冲时间才能实现组件的精确测试。

　　目前宽脉冲测试仪以其快的测试速度，高的测试稳定性，成为高电容电池组件生产厂家的主流产线测试设备。但由于脉冲宽度较长，对电源的设计要求更髙，因此价格较高。同时闪光时间长，灯管寿命比常规10ms脉冲模拟器低，也造成测试成本较高。

　　3.3分段测试

　　分段测试是将I-V测试曲线分成若干部分，每一部分在一次光脉冲下进行测试，最后组合成一条完整的测试曲线，具体见下图5。采用分段测试时，需对比正向测试（Isc-Voc)和反向测试（Voc-Isc)的测试结果，当分段数n满足An=(Pmdir-Pmrev)/(Pmdir Pmrev)≤0.5%时，可以认为此时己基本消除电容应对组件的测试结果影响，此时的正向测试结果即为组件的实际测试值。其中Pmdir为正向测试时最大功率，Pmrev为反向测试时最大功率。

　　本实验中，我们采用Pasan瞬态模拟器，对双面发电电池、IBC电池、HIT电池分别进行分段测量，测量条件为：每段测试时间为8ms，每段测量250个点，每次测量间隔30s。具体测试结果如图6。从图6中可以看出，随着分段数的增加，不同类型的电池组件的正向测试功率逐渐增加，反向测试功率逐渐减小，最终趋于稳定。对于N型双面电池，在分5段测量时，Δ5为0.58%，基本满足测试要求，对于IBC电池组件，在分10段测量时，Δ10=0.5%，满足测试要求；对于HIT电池组件，在20次测量时，Δ20=0.8%，仍未满足测试要求，如需精确测试，分段数应该大于20段。

　　c.HIT电池组件

　　由此可见，采用分段测试的方法可以实现电池组件的精准测试。然而N型双面电池组件、IBC电池组件、HIT电池组件至少需要3分钟、5分钟、10分钟的测试周期。测试时间长，不适用于生产，闪光次数多，测试成本高，因此该种方法只能作为一种实验方法使用，不适合生产中高效电容组件的测试。

　　3.4最大功率点修正测试

　　和分段测试延长测试时间不同，最大功率点修正测试由两次闪光测试完成，因此也称作双闪测试。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，在最大功率点附近再进行闪光测试，如图7，得到最大功率附近的精确测量结果，然后由软件把两次测量结果进行复合，获得最终测试结果。

　　我们采用Pasan瞬态模拟器，对双面发电电池、IBC电池、进行双闪测量，测量条件为：单次闪光时间为8ms，每段测量250个点，每次测量间隔30s。具体测量结果如下8。从图8a可知，N型双闪功率测试值比真实值高出约2瓦，高出比率0.6%，说明这种测量方式，测试结果比真实值略高，可以通过缩短单次闪光时间来调整。

　　图8b则显示IBC电池组件的测试值和真实差相差很小，仅为0.5W。说明该模拟下，8ms 8ms的闪光时间满足IBC电池组件的测试要求。由于HIT电池组件电容效应远大于这两个电池组件，为获得精准的I-V测试结果，应该延长单次闪光时间。

　　相较于分段测试，双闪测试具有闪光次数少，测试时间短，测试成本低等优点。但只是对最大功率点附件的电压电流值进行修正，其它地方的曲线并未修正，不能准备的给出组件的开路电压，所以没有测试机构采用该方法进行组件标定，因此只能用在精确要求不高的测试项目上。

　　3.5动态I-V测试

　　为了解决目前稳态测试和宽脉冲、多次闪光测试时间长，费用高，灯管寿命短等问题，Pasan推出了一款采用动态I-V测试（Dragon-BackDB）模式的设备。这种测试模式在不改变测量时间的情况下，将传统的线性电压扫描方式变为阶梯状的电压扫描方式，整个电压扫描曲线由多个类似台阶状的扫描电压组成，见图9a。在每个台阶的起始部位，设置合理的峰值及宽度，以消除电压变化引起的电池电容充放电导致的测试误差。当电池电容充放电结束后图9b，保持电压不变，采集电流稳定后的测量值作为有效数据点图9c。最后根据所有台阶对应的测试值，绘制I-V曲线图9d得到组件的电性能参数。

　　动态I-V测试的优点是通过提高数据采集的速度，利用外部施加电压以消除电容效应，使得在较短的时间内（10ms）能够进行高电容电池组件的电性能测试，在现有测试条件下只需更换数据采集装置和软件，不需要做较大的硬件更换，因此适合产线使用，目前许多测试机构采用该种测试模式。

4

结论

　　本文针对使用短脉冲瞬态测试仪进行N型高电容电池组件I-V测试时测试曲线失真问题，从测试机理上分析得出产生该问题的原因主要是快速扫描引起的电容器充放电造成的，提出了增加测试时间和改变扫描电压曲线来解决电容效应的测试方法，解决了目前高电容组件测试方案欠缺的问题。并采用稳态测试，瞬态宽脉冲测试、瞬态分段测试、瞬态双闪测试以及动态I-V测试五种测试方法，对n型双面、IBC、HIT等高效率电池组件进行了测试验证，几种方法虽然都能较好的解决大电容组件I-V测试问题。但在测试效率和测试成本方面存在较大差异。根据测试方法的不同特点，可以选用测试精度较高的稳态模拟器用于实验室组件的测试，选用高效率、成本相对较低的宽脉冲测试方法和动态I-V测试方法用于生产线组件的测试。

参考文献

[1] 宋文祥，沈辉，于培诺，等. 2006 电容效应对高效太阳能电池电流-电压特性测试的影响及测量办法[J]. 新能源及工艺24：26-29.

[2] Matic Herman, Marko Jankovec, andMarko Topicˇ. 2012 Optimal I-V CurveScan Time of Solar Cells and Modules inLight of Irradiance Level[J]. InternationalJournal of Photoenergy 151452: 1-11.

[3] A. Edler, M. Schlemmer, J. Ranzmeyer,R. Harney. 2012 Understanding andovercoming the influence of capacitanceeffects on the measurement of highefficiency silicon solar cells[J]. EnergyProcedia 27: 267–272.

[4] C. Monokroussos, D. Etienne, K. Morita,and et.al. 2012 Accurate powermeasurements of high capacitance PVModules with Short Pulse Simulators in aSingle Flash[J]. 27th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition3687-3692.

连云港神舟新能源有限公司