太阳能电池组件过程功率测试准确性提高的研究

张福家，王翼伦，汤 辉

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙 410111）

太阳能电池组件过程功率测试准确性提高的研究

张福家，王翼伦，汤 辉

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙 410111）

主要研究提高晶体硅太阳能电池组件功率测试准确性的方法。通过优化测量环境、测量仪器设置等因素，功率测量准确性能够得到有效提高，这些方法在组件生产中的应用对质量保障非常有利。

太阳能电池组件；功率测试仪；温度系数；标准组件

随着晶体硅太阳能光伏产业技术水平的不断提高，晶体硅太阳能电池组件的效率不断提升，成本不断下降，质量要求也日益严格；在评价太阳能电池组件的质量中，输出功率是核心参数，也是企业最为关注的数据；实现额定输出功率的精确测量，既需要精确的标准光谱光源，又需要精确的标准太阳能电池组件；以当今最有效的技术手段来实现光谱量值传递不仅环节复杂，而且具有非常大的不确定性，量值传递过程带来的计量误差使得太阳能电池组件测量的偏差超出了人们常规想象，这个问题一直困扰着组件的制造商和使用者；况且，采用昂贵的进口功率测试仪，不是一般生产商所能承受。这样，如何以现有的技术条件，发挥出最佳的精确度测得太阳能电池组件输出功率成为光伏从业人员无可回避课题，本文的核心思想就是论述以目前太阳能电池组件加工厂所具有的设备和环境条件如何实现更为准确的额定输出功率的测量。

1 太阳能电池组件功率测试原理

在晶体硅太阳能电池及电池组件功率测试领域，标准电池和标准电池组件作为参考标准作用相当关键，二者如何产生，相互之间有何联系，对理解晶体硅太阳能电池组件的功率测量非常重要。在1993年到1997年的PEP93国际标准太阳电池比对活动中，全世界有8个国家的17个太阳能电池测试实验室参加。通过统计分析这些实验室的太阳能电池片测试结果，最终美国的NREL、德国的PTB、日本的JQA/ETL和中国的TIPS（中国电子科技集团公司第十八研究所）4个实验室测量数据因偏差最小而被采用，这些实验室送样的参考电池片就作为世界上太阳能电池标准的原级被各个实验室保存下来，并且在目前的标准传递过程中使用。太阳能电池组件的原级标准就是采用电池片原级标准传递，传递过程：用电池片标准在实际太阳光底下进行测量，当确定太阳光辐射功率为1 000 W/m2时，由于太阳光是无限均匀的，就把太阳能电池组件备用标准在此太阳光底下进行测量，得出该组件的功率数据被确定为组件原始标准，我们每个组件厂所用的公认标准组件是在实验室中通过太阳能模拟测试仪用精度更高的标准组件比对测量得来。

为了统一太阳能电池组件的电性能测量结果，国际标准规定太阳能电池的功率测量要求在标准测试条件下进行，即要求测试仪光源的辐照度为1 000 W/m2、温度为25℃±1℃、大气质量为AM1.5、测试仪器光源达到3A光源（均匀性、一致性和光谱匹配性均达到A级要求）。测量时，测试仪的光源瞬间对被测电池组件进行光照，产生光生伏特效应，电子负载在光源闪光时间内以电压方式从I-V特性曲线的短路端 （或者开路端）向开路端（或者短路端）扫描，进行数据采集，继而测得需要的参数值和曲线；测量数据主要包括短路电流Isc、开路电压Voc，最佳工作电流、最佳工作电压、填充因子等一系列电性能参数。

2 影响组件功率测量可靠性的因素

影响太阳能电池组件功率测试结果的主要因素有：被测组件特性、测量环境、测量设备特性和测量操作过程。

2.1 被测组件本身特性的影响

2.1.1 组件的温度均匀性

晶体硅电池组件有电压和电流温度系数，温度升高，开路电压会大幅减少，电流有少量增加；这样，组件的实际温度与标准测量温度的差距以及组件内部温度不均匀性将直接导致测量误差；在实际生产中，组件在功率测试前的摆放方式一般为叠放，即使进行较长时间恒温，在组件内部和组件之间也很容易存在温差，如图1所示。

图1 组件叠放图

温度的不均匀和不稳定，一般会为组件测量带来2～3 W的测量偏差。

2.1.2 组件受光面清洁度

组件玻璃表面的污染，对透光率造成影响，造成组件内部个别电池片低效假象，产生电池片间功率失配，从而为功率测量引入测量误差；在普通的室外环境中，230 W组件放置48 h后进行恒温测量在排除其他因素的情况下，230 W的组件清洁前比清洁后的功率测试统计结果变化趋势明显，经过多次比对统计，平均少0.3～0.4 W，见表1。

表1 清洁前后测试比对图

2.1.3 组件几何尺寸稳定性

组件测试时，先要用标准组件进行标定，如果被测组件几何尺寸和标准组件的几何尺寸存在差异或者被测组件机械尺寸及位置不稳定（组件受光面长和宽、组件玻璃面与测试仪玻璃面的距离），会造成标准组件和被测组件测试时所接受的光通量存在差异，从而导致测量误差；由于组件功率测试仪的光源是点光源，不是无限均匀光源，测量面只要与点光源间有较小的距离变化，该测量面上的光强、光谱特性就会有一定变化，从而引入测量的不确定性。对某些功率测试仪来说，测量面与光源方向变化1 cm，230 W组件功率测量结果有0.5～0.8 W偏差。

2.2 测量环境的影响

组件测试的环境因素主要是温度和湿度。

适宜的湿度可以防止静电，但湿度太高容易使组件或设备表面、内部结露，造成组件测量误差或损坏测试设备。一般情况下，组件硅胶固化恒温室离测试间很近，固化间在加湿器的作用下，湿度非常高，通过空气对流容易导致测试间的湿度超标，同时空气中的成分复杂，特别是盐分的污染，容易导致组件表面和测试仪表面结露，影响测量精度。因此，有效的解决措施就是测试间和固化间做有效隔离。

相对湿度来说，温度因素影响测量结果的程度要大，在电池片工艺确定的情况下，组件的开路电压、短路电流、峰值功率都有确定的温度系数，在实际测量时组件功率测量换算公式为：

25 ℃实际功率=当前测试功率×{1+（25-当前实测温度）×功率温度系数}

一般情况下，开路电压温度系数为-0.34%/℃，短路电流温度系数为0.06%/℃，峰值功率温度系数为-0.44%/℃；其中电压、功率温度系数为负温度系数，电流温度系数为正温度系数；基于组件测试标准的要求，组件所提供的额定电气参数必须在25℃的条件下测定，测试设备厂家在设计时其精度最高点也必然选择在25℃附近，标准组件所提供的电气数据也是由第三方机构在25℃下测得，如果测试环境温度偏离25℃太远，组件本身、标准组件和测试设备都会由于温度特性引入测量误差，增加组件测试结果的不确定性。

对一般厂家来说，在判断温度影响测量误差时，往往会认为生产过程中被测量组件在恒温测试室放置了足够长的时间，被测组件的温度与恒温实验室温度相同。实际上，由于恒温测试室本身温度的不均匀性以及实际生产中太阳能电池组件可能无法在恒温测试室内放置足够长的时间，测量环境温度所引入的测量误差要远大于生产者预料，并且很不稳定。

所有这些环境因素均会对测量造成影响，如果不进行应有的关注和采取有效的措施，其误差综合积累往往会导致意想不到的测量偏差。例如，在组件功率测试的时候，同一批245 W组件，在同一厂家同样型号的两台测试仪上分别进行测试，用同一块标准板进行校准，其平均功率偏差有1～2 W，在不同的生产车间进行测试，相差甚至在2 W以上，究其原因，就是测量环境不同导致。

2.3 测量设备固有特性的影响

2.3.1 测试仪光源质量要求

组件功率测试仪光源的基本要求：光源辐照度在800～1 200 W/m2内连续可调；在有效辐照面积内的辐照不均匀度≤±2；辐照不稳定度≤±1；A级光谱分布满足表2的要求。

表2 光波长分布表

其中：Emax代表该区域内最大辐照度，Emin代表该区域内最小辐照度。检验辐照不稳定度的方法与检验辐照不均匀度的方法很类似，固定在一个点上并在规定的时间间隔内测量。太阳模拟器光辐照度的不均匀性，在组件I-V特性曲线异常中的影响很明显，对短路电流测量值最大可能产生5%的偏差。

在现实的技术条件中，氙灯光源光谱分布与太阳光的光谱分布最接近，太阳模拟器的光源一般选择氙灯，但实际上氙灯光源的光谱分布和太阳相比也存在着很大的差别，氙灯的紫外和红外区部分明显比太阳偏强，同时氙灯的光谱分布随总辐射能量的变化而变化，氙灯的老化也会使光谱分布发生变化；实际生产过程中，氙灯的光谱差异对实际功率造成偏差往往在0.8%以上。

2.3.2 测试仪补偿参数的设置与标准组件的校准

一般情况下功率测试仪需要进行测试设置，设置的参数主要有电流温度系数、电压温度系数以及温度补偿参考温度（一般为25℃），对每个电池片的生产厂家而言，由于硅料工艺、硅片工艺以及电池片工艺不同，其电池片的温度系数就必然不一样，因此，在组件测试时，功率测试仪内的温度系数设置时一定要与电池片生产厂相对应，否则就会引入测量误差，如果是没有设置，其产生的这种测量误差将更大。

为了保障太阳能电池组件电性能测量结果的准确性，通常需要用标准组件定期对测试仪进行校准，功率测试仪系统是典型的电子测量系统，其电路系统存在零位漂移，影响测量结果精度，需要用标准组件定期对这种情况引起的测量误差进行修正，也就是我们组件生产中在线校准。校准方法、校准频率不当都会引入测量误差。对国产的功率测试仪来说，当测量系统在3 h内未进行校准时，通过统计，其测量结果将可能会出现一定数量的数据变化趋势，在环境因素变化时，其变化趋势尤为明显。表3是同一个组件在仪器校准频率不同时出现的测量结果。

检验辐照不均匀度的方法是，在测量区域内：

表3 校准测试比对表

2.4 测量操作过程的影响

（1）标准组件、被测组件放置在不同环境中，导致标准组件对测试仪的校准结果与被测组件不匹配，从而造成测量误差，标准组件、被测组件温差越明显，该操作所造成的测量偏差将越大；

（2）标准组件对测试仪的校准频率过低，功率测试仪电子系统零漂未及时补偿，从而引入测量误差，校准的时间间隔越大，可能造成的测量误差将越大；

（3）测试仪测量台光均匀性未及时校验或维护从而引入测量误差；

（4）测试仪测量台的灰尘、脏污未及时清理、台面玻璃的磨损及滤光玻璃未及时维护，导致光照辐射均匀性不够，造成测量误差；

（5）测试台面零部件磨损，导致实际测量面位置经常性的变动，造成测量误差；

（6）未对温度补偿系数等参数进行设置，使测量时测试仪不能进行数据补偿，从而造成测量误差；

3 减少测量误差的途径

3.1 正确的恒温方法

3.1.1 太阳能电池组件的正确恒温方法

提高恒温室的温度均匀性，必须采取正确的恒温方法；组件摆放有利于空气对流，恒温室内要用空气对流装置，将空气扰动并搅均匀；组件在叠放时，组件上下必须适当错位，避免上下组件间形成封闭空间，有利于空气对流，减少温差，每托组件四边侧间预留适当空间，以利于空气在上下和水平面对流，在垂直方向和水平方向放置对流风扇，促进空气对流，使温度均匀性≤±1℃。图2所示为温度均匀性数据，就是采取了必要的对流措施后，用手持式红外线温度测量仪测量一托组件外侧表面温度测量结果。

图2 组件恒温正确叠放

3.1.2 太阳能电池组件正确的恒温时间

太阳能电池组件主要组成材料为玻璃、EVA、背板等，硅电池片材料完全被EVA材料密封，这些材料的恒温特性直接影响电池片的温度及温度均匀性，从而影响组件电池片电性能输出。根据实验科学和组件测试实验室的实践经验，在实验室空调恒温效果满足要求的情况下，10 kg以下组件恒温时间需要达4 h以上，10～50 kg的组件在恒温室内恒温时间需要达8 h以上，才能使组件的温度、温度均匀性达到要求。

3.1.3 组件功率测试仪的环境条件及恒温时间

组件测试室温度为25℃±1℃，湿度在60%以下，在恒温测试间的温度满足测试要求的情况下，功率测试仪需要恒温2 h以上才能展开测量，功率测试仪处于关闭状态，开机后需要预热1 h稳定后，然后才能展开测量。

3.2 正确的设备维护保养规程

灯源需要定期校验、更换；氙灯的使用寿命一般为10万次，到期必须更换；

滤光玻璃间是没间隙的，出现间隙，必须把间隙消除后进行光谱调匀；

表面辐照度的均匀性测量和校验；每天开机测试时，在正式测量组件前用小功率小面积组件对功率测试仪的测量表面进行辐照度均匀性校验；

电子零部件的正常更换，避免零漂；功率测试仪内部电子器件定期更换，以免老化失灵；

机械运动部件及时维护或更换；导轨轮磨损后会导致组件与光源间距离发生变化，磨屑对玻璃测量面容易造成污染，导致光强均匀性发生变化，另外红外线测温仪与组件间的距离也会发生变化，造成组件表面温度测量、温度补偿的误差变大。如图3所示，必须保持A、B尺寸稳定，保持测量台洁净。

图3 测试仪示意图

测量电缆需要延长时，必须选用阻抗性能匹配电缆，且注意接头金属件的表面氧化层的清除，以免造成功率损失。

3.3 测试仪的正确操作和设置

3.3.1 功率测试仪温度补偿功能的设置

理论上，功率测试实验室的测量环境必须符合标准测量环境，但客观条件下，测量环境每个参数只能保证在公差范围内，温度等实际环境参数与标准环境参数是有差距的，同时，在恒温室内，不同的组件，其实际温度也有差别。但组件厂提供的功率数据必须是标准测试条件下的数据，而温度对测量结果影响又相当大，这样，在测试时必须对测量结果以标准测试温度为基准进行补偿，也得必须进行相应的补偿设置。

温度传感器的校准：温度测试功能和电流电压温度补偿功能是相互配合使用的，测试仪的温度传感器是用于测量环境和组件的温度，通常情况下，功率测试仪采用红外线测温仪来获得组件的表面温度，环境温度的测试则用其他类型的传感器。这两个传感器必须每年校验一次。

温度补偿中测量温度的选用：在电流电压温度补偿功能中，补偿选用的温度是环境温度还是组件表面温度，是有区别的，无论客观上还是在理论上，选用组件表面温度肯定对测量结果的精准度是有益的。

电流、电压温度补偿系数的正确设置：在应用中，温度补偿系数不是一成不变的，每个电池片生产厂由于原料工艺、生产过程工艺不同造成温度补偿参数不同，必须设置电池片生产厂实际的温度补偿系数，由于操作者的忽视，该项很容易因疏忽引入测量误差。

温度补偿系数中电池片面积的正确设置：电池片尺寸种类很多，硅单晶电池片尺寸有125 mm×125 mm、156 mm×156 mm类型,125 mm×125 mm类型里又分对角线为150 mm和165 mm两种，硅多晶电池片尺寸有125 mm×125 mm、156 mm×156 mm类型，这些尺寸的不同，造成电池片的面积差别很大，组件在进行功率测试时，必须准确设置实际被测组件的电池片面积，才能减小该部分引入的测量误差，对测试操作者来说，该项的正确设置也很容易被忽略。

3.3.2 功率测试仪内标准电池的定期校验

功率测试仪内的标准电池是验证测试仪光强的标准。用于灯源不同闪光时光强的比较后，对测试结果数据进行补偿处理，减少光强的波动对测试结果的准确造成影响。对测试仪来说，每次闪光测试的光强是有一定的差异，这由客观光源、电路的稳定性决定，如：测试仪第一次闪光，得出光强1 000 W/m2；第二次闪光，得出光强 1 050 W/m2；这两次测试光强是通过标准电池的输出电压电流计算出来的。由于标准电池作用关键，组件生产厂家必须一年校验一次。

3.4 标准组件的正确选择和正确使用

标准组件的选择：标准组件的结构尺寸与被测组件结构尺寸要保持同一性，标准组件的电池片尺寸和类型与被测组件要保持同一性。

标准组件的正确使用：标准组件的应用方法有功率校准和电流、电压校准；在通常情况下，被测量组件需要长时间放置在恒温环境中以保证被测量组件内的太阳能电池的温度达到25℃。生产中使用的温度测量系统，准确度为±2℃。如果使用功率校准的方法，由此而产生的峰值功率测量系统误差为：

如果使用短路电流校准方法，由此产生的短路电流测量系统误差为：

从温度因素的影响来判断，选择电流校准方法引入的误差要小很多。

4 试验比对结果

以下是用两块合格的二级标准组件考核组件测试相关人员操作技能的记录，其中一块标准板为239.7 Wp，被用于测试仪校验标准，另一块标准板为241.3 Wp，被当作一般组件混入过程组件中进行测试；被考核的员工分别是测试员工、测试工序组长、质检班长；考核记录如表4所示。

表3 校准测试比对表

三种相关测试岗位员工的测量结果平均值与标准值的偏差明显不同，一般测试员工的测量结果偏差明显高于测量工序组长、质检班长，值得说明的是这三种员工所掌握测试技术知识熟练程度是不同的，质检班长已经长期在测试岗位锻炼，并经过严格考核才提拔到质量管理岗位；测试工序组长也经过岗位锻炼并考核后才提拔为工序组长；一般测试员工一般只是经过了相关测试培训后才安排在测试岗位，知识和经验相对不足；虽然一般测试员工的测量结果偏差相对较大，其结果并不是不合格，偏差在正常范围内，但在质量管理方面值得警惕。

5 结 论

为了提高组件厂功率测试结果的准确性，首先需要保障被测产品所放置恒温室的温度稳定性和均匀性以及保持被测产品足够的恒温时间；其次，保障功率测试仪测量环境，定期对功率测试仪上的传感器进行检验，定期对功率测试仪进行相关维护，并用标准组件定时对功率测试仪进行校准；第三，测量过程严格按操作规程操作。值得强调指出的是，太阳能电池组件有其独特的电气特性，影响功率测量结果的因素复杂，组件厂测量岗位员工，特别是直接测量的员工，一定要严格培训，掌握全面的测量知识，养成严谨的工作习惯，才能达到防控功率数据质量方面风险目的。

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[1]任驹，郭文阁，郑建邦.基于PN结的太阳能电池伏安特性分析与模拟[J].光子学报，2006（2）：171-175.

[2]张治，董鹏，吕欣，崇锋，王雪松.太阳电池I-V测试仪校准实质的研究[J].太阳能，2013（8）：133-137.

Research on Improving the Accuracy of the PV Models Power Measurement in the Manufacturing Process

ZHANG Fujia，WANG Yilun，TANG Hui
（The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410111,China）

Abstract:This paper mainly studies the method to improve the accuracy of power measurement of the PV modules.By optimizing the measuring environment,and the measuring instrument setting,the accuracy of power measurement can effectively be improved.The application of these methods in the production of the PV modules is very beneficial to the quality assurance.

Keywords:Crystalline PV modules；Power measuring instrument；Temperature coefficient；Standard PV module

TN606

A

1004-4507（2013）12-0024-07

2013-11-18

张福家（1971－），男，湖南衡山人，本科，高级工程师，主要从事太阳能电池组件工艺的研制。

王翼伦（1973－），男，湖南祁东人，本科，工程师，主要从事太阳能电池组件工艺的研制。

汤辉（1969-），男，湖南益阳人，本科，高级工程师，主要从事太阳能电池组件工艺的研制。