电池片电参数测试机构的研究

朱林涛，马鹏飞，张迎春，李国林

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

太阳能(Solar)是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是各种再生能源中最重要的基本能源，也是人类可以利用的最丰富能源，太阳每年照射到地面的能量大约为全世界1年能耗的1万多倍，可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源。太阳能光伏是利用太阳能电池片直接将光能转化为电能，电池片有两层半导体，一层是正极，一层是负极，当太阳光照射到半导体上时，两极交界处产生电流，且光强越强，电流越大。太阳能电池片组成的光伏组件系统可以在任何地方快速安装，并且没有任何污染，使用寿命长，这些优点使得太阳能光伏产业发展迅猛。

在太阳能光伏产业中，电池片转换效率的高低成为了评估电池片好坏的重要因素，目前理论的转换效率可达24%，但是在工业产业中，只有15%，单晶硅电池片的转换效率可达19%左右。

我所研制的全自动测试分选线是太阳能电池片生产工艺的一种专用设备，它主要用于太阳能电池片生产过程中通过模拟太阳光谱光源，对电池片的相关电参数进行测量，根据测量结果将电池片进行分类，专门用于太阳能单晶硅和多晶硅电池片的分选筛选。

本文将探讨在该太阳能电池片测试分选机中，测试机构组成，测试原理，以及对影响电池片转换效率的因素进行分析，如何能在现有的电池片加工工艺基础上，减少由于测试机构本身的因素对电池片转换效率的影响，以便于能更精准测量相关电参数，准确地对电池片进行分档。

1 测试机构的组成

测试机构即测试探针台的组成：由上探针组件，下探针组件，直线电机，保护气缸，减压阀等。

1.1 上探针组件

上探针组件平面结构示意图如图1所示，由固定架，汇流排，夹块，刻线标牌等组成。

图1 上探针组件平面结构

根据太阳能电池片规格对应地调整上探针组件：通过移动夹块，夹块带动上探针组件可方便于导向型材中移动来固定探针架的位置，调整到位后，锁紧夹块中的紧固螺钉，使得探针排在测试过程中下落时汇流排与电池片的主栅极线对正接触。

1.2 下探针组件

下探针组件平面结构示意图如图2所示，由浮台，固定架，汇流排，监控片组成。

图2 下探针组件平面结构

根据电池片规格相应地调整下探针汇流排，调整到位后，锁紧夹块中的紧固螺钉，使得探针排在测试过程中探针正好位于电池片背面的主栅极上。同时调节调整螺钉，使得监控片的上平面与电池片上平面等高。其中机械定位装置用于保证前后的两个浮台上平面等高，避免在探针下压过程中由于电池片倾斜而被压裂。

1.3 保护气缸与减压阀

通过调节减压阀，来控制保护气缸平衡力的大小，减轻运动电机的负载大小，同时也影响在上探针排运动到电池片表面，换成压力模式时的压力大小，使得探针排对电池片既能有足够的压力，又不至于因压力过大而导致电池片的隐裂，从而保证测试精度。

太阳光模拟器是模拟太阳光，垂直照射待测电池片。

电子负载：连接电池片，标准电池片（监控片）以及温度传感器探头，以此获取待测电池片的电压，电流数据。通过标准电池片获取光强信息，通过温度传感器获取测试环境的温度。

2 测试机构工作流程

太阳能电池片经过传输装置(传输导轨)传至测试台工作位，预对准电机运动一定的位移量来夹紧电池片，使得电池片的主栅极与测试探针排对齐，然后对夹电机运动至初始位，松开电池片；测试台上探针组件在直线电机的控制下以位置模式运动至电池片表面，再换成压力模式继续向下运动，上探针组件的长定位螺钉压浮台，使得电池片悬空，探针压缩至50%至70%（见图3）。

图3 工作流程

表征太阳能电池片性能的参数：

开路电压Uoc：在某特定的温度和光强下，光伏发电器在开路状态下的端电压；

短路电流Isc：在某特定的温度和光强下，光伏发电器在短路状态下的输出电流；

最大功率点Pmpp点：IV曲线上对应最大功率的点；

转换效率N：受到光照的太阳电池片的最大功率与入射到该电池片上的全部辐射功率的百分比，它是评估电池片好坏的重要因素；

填充因子FF：太阳电池片的最大功率与开路电压、短路电流乘积之比，它是表征电池片性能优劣的重要参数；

串联电阻与并联电阻。

3 简述电池片电参数测量原理

两阶闪光：一次闪光持续时间为10 ms，光强分别为1 000 W/m2和5 00 W/m2两个阶段，这样两阶闪光会产生两条伏安曲线，如图4所示。

通过曲线可以计算出串联电阻，经过负载电阻测试盒及其内部的模数转换电路，可以测量出Uoc，Isc，Pmpp，FF，N 等电性能参数，如图5所示。

这些电参数，是判定电池片的好坏以及分档的重要依据。

图4 闪光阶段伏安曲线测量图

图5 电池片电参数测量指标

4 影响电池片性能参数测量的因素分析

4.1 光强

短路电流Isc与光强成正比，开路电压Uoc与光强成对数关系。由于在测量过程中，电池片的能量来源于模拟太阳光，光强的稳定与否直接会影响到测量结果。这是因为，光强改变，进入电池片的光子数目发生变化，从而相应被激发的电子数目也发生变化。而暗场环境的好坏直接影响到光照的强度和光谱的分布。为了获得稳定的光强与均匀的光谱，模拟太阳光发光器下表面距测试台的高度应该保持在95 cm 以上，最佳的暗场条件是尽可能地减少因模拟太阳光的反射与散射所造成的损耗。

4.2 环境温度

电压的变化与电池片温度呈线性关系，电池片温度升高时，开路电压Uoc减小，而短路电流Isc略微上升。为了保证电池片在传递至工作位时的温度为室温（25℃），电池片从烧结炉中传递至上料机，在上料机空间内可以加2个冷却风扇，相对地增大上料机传递区域的空气流动，以加速电池片冷却至室温，使得测量出来的Uoc与Isc更加准确、稳定。

4.3 探针与电池片的接触

电池片在测量过程中需要保持悬浮，探针垂直于电池片表面。如果探针的压缩量过小，它与电池片的接触不够理想，会使探针架和导线内部的接触电阻变的过大而无法补偿，反映在曲线上就是短路电压处出现缺口，如图6所示。

图6 探针接触不良所实测的IV曲线

5 测试过程中的问题及分析

（1）在测量的曲线上，发现在最大功率点后的U-I曲线出现振荡而不是平滑的曲线，说明上下汇流排的探针接触有问题，一方面查看上下探针的收缩量是否达到70%，另一方面也有可能是探针并没有与电池片的主栅极线正对，这时需要重新调整汇流排的位置。经过多次测量试验，发现用方波形的铜条代替下探针的汇流排，能够保证完好的接触和理想的探针压缩量，曲线变得平滑；

（2）开路电压Uoc的测量结果偏差比较大，由于影响它的因素主要是环境温度和电池片本身的温度，理想的环境温度是25℃，当试验温度超过或低于25℃，可以通过对温度的补偿，来消除这种因温度原因而造成的Uoc偏差；

（3）短路电流Isc的测量结果偏差比较大，在多次测量试验中发现，电池片隐裂的时候，会出现Isc偏差较大；每次曝光时的光强不同，Isc也会有较大的偏差，为了消除这种偏差，一方面要调整输出压力，使探针在压缩电池片过程中不会因压力过大造成电池片隐裂，另一方面要调整好光强，使得每次曝光的光强稳定，光谱均匀；

（4）在多次对同一片电池片进行测量时，测量的结果有一定的偏差，变化最大的填充因子，为了既保证测量的重复度，同时又不至于损坏电池片，在保证环境温度，光照强度的前提下，单片电池片的测量次数不宜过多。

（5）由于电池片本身，上下探针组架以及暗场四壁等的反射与散射，会造成分布在电池片上的太阳光损耗，使得在测试过程中，实际检测到的光强达不到1 000 W/m2，造成测量数据的偏差。在实验对比中发现，在暗场中布置黑幕能够有效地减少因电池片传送装置、暗场四壁、电池片本身等环境因素造成的太阳光的反射与散射，进而保证了测试数据的真实性与可靠性。

6 结束语

太阳能电池片测试分选机包括上料机、测试机和分选机，整条线完成了对电池片电性能参数的测量与分档，是光伏产业中重要的一环。我所生产的全自动太阳能电池片测试分选机，传输机构平稳，碎片率很低，测试机构稳定，测量精准度高，每小时可以完成对1 500 片电池片的测试与分选，大大地提高了生产效率。

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