高效晶硅太阳能电池精确I-V测试指南

  • 2018年06月26日
  • 作者: Jacques Levrat,Jonas Geissbühler, Bertrand Paviet-Salomon等

    Jacques Levrat,Jonas Geissbühler, Bertrand Paviet-Salomon等

    c-Si太阳能电池和组件的测试开发,CSEM 光伏研究中心

    CSEM 光伏研究中心并担任c-Si太阳能电池和组件的测试开发

  • 校审: 蒋荒野
  • 技术翻译: 谢文旭
图一:来自h.a.l.m的无主栅太阳能电池接触装置

图一:来自h.a.l.m的无主栅太阳能电池接触装置

图二:来自GridTOUCH和PASAN的无主栅太阳能电池接触装置

图二:来自GridTOUCH和PASAN的无主栅太阳能电池接触装置

图三:子栅线损和接触栅或细线数量所造成的网格损失分布情况

图三:子栅线损和接触栅或细线数量所造成的网格损失分布情况

图四:当使用ASTM规范(右边)和CSEM规范(左边)测试时,不同FF下的Pmpp误差比较

图四:当使用ASTM规范(右边)和CSEM规范(左边)测试时,不同FF下的Pmpp误差比较

图五:对高FF的太阳能电池照射时的测试结果。放大查看的MPP区域清楚显示ASTM规范会导致Pmpp的高估,然而CSEM指导规范却证明更加接近于实际的MPP

图五:对高FF的太阳能电池照射时的测试结果。放大查看的MPP区域清楚显示ASTM规范会导致Pmpp的高估,然而CSEM指导规范却证明更加接近于实际的MPP

方程(1)

方程(1)

方程(2)

方程(2)

方程(3)

方程(3)

方程(4)

方程(4)

方程(5)、(6)

方程(5)、(6)

方程(7)

方程(7)

方程(8)

方程(8)

方程(9)

方程(9)

商用晶硅(c-Si)太阳能电池组件市场已经被成熟的焊带互连型Al-BSF太阳能电池统治了数十年之久,这类电池的测试特别是I-V测试已经有明确定义且具有高度可重复性。近年来在大规模生产中出现的高效电池技术,例如PERC、PERT、异质结或背接触等,结合先进的组件设计,例如多栅线、双面化结构等,也同时带来了一些测试相关的问题。在大多数情况下,这些新技术的测试仍未有规范可循,以至于制造商基于自主选择的程序对它们器件功率进行等级评分。

由于太阳能电池的价格是基于它们在标准测试条件下的转换效率决定的,这种情况要么不符合制造商要么不符合消费者的要求。实际上,如果没有清楚定义的测试框架,组件制造商以及最后的消费者都可能为之支付错误的价格。本文将概述目前在评估高效c-Si太阳能电池光学和电学性能时面临的挑战,并指导如何准确评估电池性能。

引言:从Al-BSF设计到高效太阳能电池

首个扩散结硅太阳能电池是1954年由Pearson、Fuller和Chapin等人在n-型硅片上实现的,当时转换效率只有6%[1]。随后人们花了数十年研发时间用于掌握大规模生产技术,并在80年代早期通过Al-BSF结构实现了较高的效率转换。之后这种电池结构已经成为行业标准超过30年之久,但如今效率已达到了其物理极限的20.3%[2]。该技术在2013年的全球光伏市场份额高达90%,到了2017年下降到了70%并将在未来十年持续减少至只有可怜的份额[3]。

市场改变的主要驱动力是产品线朝着PERC电池设计逐步前进,并在有成本竞争力的情况下效率达到20%以上。在这方面,隆基乐叶最近宣称其单面PERC效率达到破纪录的23.6%[4]。与此同时,还出现了替代硅基技术,其拥有更高的转换效率以及更大的提升空间。更重要技术的是硅异质结(SHJ)和背接触(BC)太阳能电池,包括叉指电极(IBC)金属穿孔卷绕(MWT)电池设计。与PERC设计不同,IBC、MWT和SHJ设计因其不同的制造工艺而无法在现有生产线上制造。因此,它们总的市场份额不超过5%,尽管它们的转换效率非常高:其中SHJ MWT为23.1%[5],双面接触SHJ为25.1%[6],或SHJ IBC为26.7%[7]。值得注意的是这些技术将日渐成熟且有成本竞争力,根据ITRPV年度报告的预测,它们在未来几年的市场份额将快速增长[3]。

新的测试挑战

高效太阳能电池在性能测试方面遇到了光学和电学的挑战。特别是双面电池、高本征电容或新的金属/互连图案增加了测试的复杂度,目前可用的电池测试设备无法再准确评估电池功率。有意思的是,即使是IV曲线的数据处理指导框架也已不再适用于填充因子太高的器件。

双面化

所有上述电池设计(除Al-BSF外)最显著的特征之一是都具有可双面化设计的特性,例如它们的背面金属化可以开窗以支持同时来自两面的入射光吸收。但从测试的观点来看,这种设计会带来一个严重的问题:即如何计算双面化率?如何处理来自测试设备接触装置的寄生光线影响?能够在产线上测试到什么明确的信息?如何评估最终给消费者所带来的双面收益价值?如何保证IV测试的标准化和可比较性? 
上述一系列疑问将很快由新的IEC标准解答,该标准定义了双面电池和组件的测试程序和要求[8]。与单面器件不同,双面器件是依次在前表面和背面进行IV测试来计算双面效率的。并且由背面电极接触装置引入的光线影响不应该超过3W/m2,即入射光功率的0.3%。为了做到这一点,我们建议两种有效方法:
• 使用满足3W/m2要求的背接触装置,通常为非导电和无反射的局部接触材料。
• 使用有不同反射率的背接触装置,然后可以通过线性回归计算本征短路电流[9]。

因为对电池两边都进行了测量,可以通过公式(1)根据前表面和背表面参数提取双面化的Isc、Pmax 和 Voc参数:

其中X表示Isc、Pmax 和 Voc其中的一个量,f和r则分别代表前表面和背面结构。

随后,通过使用与户外条件相同的光线照射器件,其中10%到20%的额外入射光线是从周围环境反照率收集而来。为了模仿这些条件,至少对器件照射三次。建议以下两种方法:

•“GE方法”(或称“等辐射方法”)

为了获得有效的背面辐射Gr[W/m2],前表面使用等效辐射GE进行照射,GE定义见公式(2)

其中Gr通常处于0到200 W/m2之间,而φ=min(φI , φPmax)则表示器件的双面化率。

• 双光源照射方法

此方法的前表面光源要么以1000W/m2(前表面结构)照射,要么以0W/m2(背面结构)照射。至于更高的辐射,即1000+Gr[W/m2],则前表面光源以1000W/m2照射,背面以Gr[W/m2]照射。

至于器件的标注,必须指明Pmax值为STC Gr=100W/m2和Gr=200W/m2,即是分别PmaxBiFi10和 PmaxBiFi20

除了硬件的差别,这两种方法在入射光超过1个太阳的时候有着不同的结构注入曲线,因为第一种方法里光线是只从前面吸收的。对于短路电流,可以预期非线性电池可能遭受各向异性的注入。然而,来自弗劳恩霍夫的研究显示这种非线性对Isc测试没有影响,因此这两种方法是完全等效的[10]。

至于填充因子(FF),当比较前表面和背面照射时可以观察到更多的差异。特别如果是一个低质量的双面PERC太阳能电池,这种差异将变得明显。入射光照到背面场区域(即背面)时,移动到发射极的载流子是通过扩散驱使的,并将在界面处产生重要的电荷积累,从而增加复合。当横向电导率或子栅电极较差时,Isc和FF可能会受影响。相反,当光入射到发射极一面(前表面)的时候,载流子受内部电场驱动通过整个器件厚度方向,使得沿着整个电池内部的载流子分布更加平缓,使载流子聚集在表面的数量更少[11]。这种不对称是真实且应该如双面化效率一样报道,如规范里所推荐的一样。问题是在高注入水平下的GE方法和双面光照的等效性,即1000+Gr情况。目前还没有对电池进行确定的研究结果(有些正在进行),但可以预计这两种方法都是等效的,因为当背面光照从0提高至200W/m2时,电池已经处在高注入水平下。

产线上可能不需要进行完整的程序,即不需要进行五次光照,甚至当只使用一个光源的时候会将电池翻转过来测试。可以在标准测试条件下照射所有电池的前表面,并使用非反射罩或使用双面照射,需要小心避免寄生光线照射到电池背面,以达到IEC规范要求[8]。与双面化率相关的信息φ、 PmaxBiFi10和PmaxBiFi20会基于热系数以统计的形式给出。保持每颗电池的光照数量在最低水平,可以提高产能并降低成本。

先进​金属化

对于新电池技术来说,电极质量是一项挑战,因为金属电极结构无法遵循成熟的标准。金属化已经成为制造商提高它们电池效率和生产成本大显身手的领域:具有H型主栅结构的方形电池不再是唯一的选择。新的主栅图形和电池结构已经出现,这对测试方案和标准提出了新的要求。接下来我们将展示电池制造的最新趋势。

背接触电池

制备高效电池的方法之一是通过将所有电极都移到背面来降低器件前表面的光学损失。例如,IBC电池采用的就是前表面完全无金属电极的结构,取而代之的是p型和n型电极以梳子状的形式密集交叉分布在背面。而MWT电池则是在前表面以非标准金属结构的形式优化光学和电学损失。然后所产生电流通过电极焊点在背面被收集。

这两种方法都需要小心处理双面化。不仅如此,因为n型和p型电极都放在背面,所以无法通过传统接触装置进行测试。必须安装具有分散电流和电压探针的专用电极结构。我们选择了以下两种方法: 

• 基于电极的方法

该方法包括使用一种非导电接触装置,内置了连接电压和电流的弹簧捎。如果电池金属化设计固定的话,该方法是非常方便的。如果金属电极图案频繁变化的话,背面接触装置必须轮流替换。

• PCB方法

如果太阳能电池的背面电极图案是频繁变化的,那么必须确保在不需要修改昂贵设备的情况下就能测试变化的金属电极图案。通过PCB方法是可以实现低成本的灵活性的,例如由PASAN开发并申请了知识产权保护的PCBTOUCH方法[12]。基本的接触系统总是相同的,只有PCB是从一个电池图案替换到另一个图案的。

用于先进组件设计的新图案

除了背接触技术,我们还看到组件设计是如何影响新的金属化设计的。目前影响最大的应用是多主栅、多细线、压叠或切割电池[13]等。

多主栅和多细线

具有两主栅或三主栅的H图案Al-BSF电池需要消耗大量的金属浆料并且会导致严重的遮光损失。如今的趋势是进一步提升主栅数量至四、五或六条,但宽度会变得更窄。栅线变窄可以减少金属使用量,同时降低遮光损失并且使组件看起来更加美观。源自SCHMID的多主栅方法将这一趋势推到了极致的12(甚至更多)条“主栅”,而宽度通常小于0.5mm[14]。但由于增加的接触点可以带来更多的寄生遮光损失,使得IV测试变得更加困难。这种结构可能不能代表实际户外应用场景的结果。CSEM目前正在评估IV测试时空间辐射的不统一性对FF和Voc的影响。

当进一步增加主栅数量时,可能会使印刷工艺变得不再划算。而多细线方法则完全了移除主栅设计,取而代之的是在层压工序期间焊接互连线。这是通过智能细线连接技术(SWCT)实现的[15]。当细线数量N增加时,子栅电学损失将减少1/N2,但当N>15或20的时候(决定于细线的阻抗),其损失就可被忽略。当子栅的电学损失不在影响FF的时候,将可以实现超细删线印刷,从而大幅减少银浆消耗和成本,并同时减少遮光损失。但从测试角度来看,要在如此窄的细线上保证100%的接触率实在是一种挑战。目前,可选用的方法有两种。

方法1:使用挂钩接触子栅

这种解决方案(如图一)已经由h.a.l.m开发出来,这套装置具有5条接触条,其中每一条都为一根子栅配备金属挂钩。这个方法保证了一对一接触以及良好的测试重复性[16]。

方法2:使用细线接触子栅

这种名为GridTOUCH(如图二)的解决方案是由PASAN开发且申请了专利保护的技术[17],而PASAN则是来自梅耶博格团队(也是开发了SWCT技术的团队)创办的,该装置包括30条细线用于提取电流,5条细线测试电压[18]。而背面接触则是使用同样结构的细线或PCB来实现。一个轻度弯曲的稳定器用于保证接触的统一性。认证机构CalLab(弗劳恩霍夫ISE)正跟进这一方法。

一旦主栅被移除并由组件层面的连接细线代替,电池到组件(CTM)损失分析则不再定义为网格损失。原因非常简单:网格损失只决定于电子移动到金属网格的平均距离。 

对于无主栅设计的电池,这个值只有在组件层面是固定的。因为电池测试结构未必与在组件层面的抽取结构相当,IV电池参数必须校准以实现电池和组件的一对一比较,就像标准电池中主栅数量等于焊带数量一样。

因此第一种方法只有5排挂钩,而第二种方法中30根线也是同样的目的。通常,组件中的细线数量接近于15根,这是受它们的尺寸决定的。显然这两种方法都没法给出与实际最终应用相当的FF值。图三显示了网格损失是如何根据电流提取中使用的主栅或细线数量的变化导致器件损失的。显然,对于有15到20根细线的标准无主栅组件设计,使用挂钩的方法(5根测试栅)低估了FF的值,而细线方法(30根测量细线)则存在高估的可能。

除了电池和组件之间的电学错配,无主栅电池还在无阴影影响的情况下测试,因为经过调整辐射已补偿接触装置带来的遮光损失。虽然这一效应会在标准无主栅电池的CTM分析中全部计算在内,但由于互连结构的存在,电池IV参数必须经过校准。否则电池效率会人为导致过高,无法对相同标准印刷主栅的电池之间进行合理的比较。

校准电学和光学损失并不会方式影响最终的组件功率输出,只会影响电池到组件之间的损失大小。CTM分析最终将包括完全相同的项,但部分组件损失将会转化到。而校准需要输入以下几种信息:

• 光学校准:电池尺寸L,线的数量Nw和直径Dw
• 电学校准:前表面和背面的网格电阻分别为GRf和GRr[Ohm/cm]

有效IV关键参数由方程(3)、(4)得出[19]:

其中S ≈ NWDW/L,为由最终组件上的互连结构造成的遮光损失。为了使用该方法,电池测试设备制造商,例如前面提到的公司h.a.l.m.和PASAN,还必须提供网格电阻测试(见方程5、6)。

切割电池和压叠

光伏组件业界同时还在通过修改电池形状的创新方式来提升电压、降低电流从而提升电池效率。为此,有望通过增加光的吸收来降低阻抗损失[13]。其中一种方法是沿着电池子栅的方向将电池切割成两半或四块。这种方法不会改变互连结构以及电池的电极。而第二种常用的方法是沿着主栅方向即垂直子栅方向切割电池。则电池互连将变得复杂,因为它不再包括金属接触:电池被依次叠放在上面以导电胶的形式粘结。这些名为“压叠”的技术对测试来说是更大的挑战,特别是如果制造成双面电池,因为单条主栅沿着电池边界排放。如果基于经济考量,这些电池是在激光切割之前的完整硅片上测试的:将电池分割成N部分将使电池以同样的倍数降低输出。

电容效应

太阳能电池的电容主要来源于两个地方: 在耗尽层的结电容Cj以及扩散电容Cdiff。对于突变结,计算公式见方程(7)[20]:

其中A为电池面积,q为基本电荷,ε为半导体介电常数,Vbi内建电势,V为施加在电容上的电压,NA和ND为受主和施主的掺杂浓度。这个公式代表电荷在耗尽层内电荷的聚集和在反向与低偏置电压下的电池电容。在前置偏压下,在电池基极的少子电荷分布随着施加的电压大小呈指数增长。而移走的电荷由结另一边的相等过剩少数载流子补偿回来。综合起来电容值见方程(8)[21].

其中b为拟合参数,k为玻尔兹曼常数,而C0为基极电容,由方程(9)中的宽基极二极管极限给出。

其中Ln为基极扩散长度,τ为少数载流子寿命,I0为二极管饱和电流。实际上指数项在最大功率点(MPP)以上的位置不再有效,因为界面态和另一种关系应该用于计算电容的高斯衰减[20]。如方程(9)所示,显然低寿命的技术、低基极掺杂受电容效应的影响更少。因此Al-BSF太阳能电池不受电容测试干扰,而PERC只是轻微影响,而n-PERT则影响更大一些[22]。而IBC和HJT器件则是受影响最为严重[Virtuani2012]。

IV测试期间的扫描过程从短路电流(SC)到开路电流(OC),载流子随之浓度上升,导致对FF和Voc的低估。相反,如果扫描过程从OC到SC,则载流子浓度降低,导致FF和Voc的高估[22]。测试误差的量级主要决定于两个参数:电池电容和扫描时间。扫描时间越短,电池电容越大,则测试误差越大。而另一方面,测试时间必须保持足够短以避免器件受辐射加热引入的误差。基于这个原因,高效太阳能电池的IV测试必须仔细设计。目前已知的方法有如下几种:

• 多次闪光

通过在分段电压范围内多次照射器件增加测试时间并在后处理中重构IV曲线。这种方法非常耗时,且不适用于量产的高产能要求。

• 优化电压梯度

通过减慢MPP点附近(或者是电池电容限制着电池响应时间)的收集时间来优化电压。这种方法允许照射容性非常高的电池,且测试次数符合工业生产标准。

• 光和暗分析(PDA)技术

由KOPEL开发的PDA技术[23]是基于50ms光I-V与三步暗IV曲线序列之间的结果比较组成。该方法假设光和暗IV除了串联电阻之外都有着同样的响应。电池电容的影响通过计算内生电阻移除掉。完整的测试序列没有引起任何重要的器件加热,但对于高电容器件需要一个重要测试时间。

• 滞后作用测试

基于滞后作用的方法是依赖于前置和反置电压下的IV曲线快速扫描。得到的IV曲线有着异样的形状,这是因为电压依赖电池电容的寄生分布。尽管如此,这些曲线还是可以用于提取电池电容,而实际的IV曲线可以通过等效电路使用专门的算法计算得到。H.a.l.m已经在其电池测试设备上使用了该方法,以帮助测试具有高电容值的电池[24]。该测试方法的主要优势在于速度快,符合高产能要求,但所产生IV曲线是根据所测结果和模型结果一起计算得到的。

• DragonBack

“DragonBack”技术是由PASAN联合SUPSI共同开发的[25]。该技术通过对IV曲线上每个点施加超过所设电压值以加速电容积累电荷。然后再将电压减小到所设电压值水平,并保持稳定直到电流稳定为止。这样,在最终的IV曲线上所测点个数会减少,通常为15到20个,但这对计算IV关键参数即Isc,Voc和Pmpp没有影响,假设这些数据点的电压是小心选择的[26]。

• 电压调制

该技术是属于Sinton Instruments的专利保护技术[27],在电池终端的电压是通过信号微调的方式调制的,以抵消电池电容所产生的人工测试干扰。

数据处理

除了一些已知会改变IV曲线测试(最明显光谱波动和光源辐射)精确度的实际细节,用于从已知IV曲线的方法和算法,显示出能将误差提升至2-3%[28,29,30]。迄今为止,ASTM E948-09标准[31]是唯一的国际标准,专用于提供Pmpp测算的指导。然而,该标准不但不提供Pmpp残差的估算,也没有建议如何改编这些指导所测器件的性能。基于数字生成的IV曲线,我们可以知道,对于FF>75%的情况ASTM规范显然因为一个不合适的拟合范围高估了Pmpp值,误差高达0.25%(如图四和五所示)。相反,调整所测器件的FF的拟合边界最终将使Pmpp误差缩小三倍或四倍。更重要的是,我们新的准则很好地平等应用在高和低密度IV曲线上。更进一步详细信息可以在文献[26]和[32]找到。

提升UV和红外响应和新的光源

电池测试设备市场的发展依赖于成熟的规范和标准。用于评估太阳能电池性能的光源具有经过校准的光线和连续的光谱,并且通常由氙气激发产生。高效太阳能电池具有较高的电容值,显然闪光持续时间将成为重要的参数,且几乎不能用氙气灯管调节。因此,最近LEDs光源成了备受关注的替代产品,因为LEDs具有闪光时间高度可调、辐射可控且可用光谱范围广的特点。LEDs的另一个重要优势是维护成本低,这要得益于其较低的生产成本和较长的寿命。

不过,LEDs的价格高度依赖于它们的波长和所包含的材料:从蓝色到红色的材料的确是低廉的,但近UV(<400nm)和近红外(>900nm)范围的情况则有所不同,其中材料可利用数量、价格和辐射效率都是受限的。不过目前价格已经在下降,并且可以以有竞争力的成本获得A+光谱(根据IEC60904-9:2007)。对于高效太阳能电池来说,红外LEDs光源的可用性和价格是最重要的因素,因为这部分光谱的量子效率是最大的:通过探测UV范围吸收特性,可以探测前表面层的复合和寄生吸收,而探测红外部分的吸收特性则可以了解背表面复合和陷光效率。

在撰写本文的时候,可用于组件测试的LEDs光源产品非常丰富(包括MBJ, PASAN, Wavelabs, ECOPROGETTI, J.v.G.Thomas, Gsolar Power 等),而用于电池测试设备也比较丰富(Wavelabs,Gsolar Power等)。替代性概念也正在不断出现,比如通过结合LED和传统光源特性的产品。例如,PASAN的 SpotLIGHT目前是使用氙灯管测试Isc,而当进行电压扫描时则是使用红色LEDs校准。Alfartec也同样使用混合光源,即结合LEDs和卤素灯以加宽红外波段的光谱范围。可以预计在不久的将来会有更多的研发投入到降低成本和更好适应高效太阳能电池上来。

结论

使用太阳能电池测试设备的主要目的是准确评估太阳能电池的输出功率。因此,它们的结构和功能模式必须持续不断地接受挑战、升级和证实。随着近年来商业级太阳能电池设计的不断更新演进,电流-电压测试的精确度变得越加重要。目前行业里缺少对光伏器件功率分级的规范和指导框架,显然这是有问题的,行业人员不得不依靠熟练的操作和指导,而且还需要依赖能兼容所有电池设计的可靠硬件设施。对可替代性技术的潜在理解力,例如钙钛矿或钙钛矿-硅叠层电池,将很有可能成为新的需求和难题。因此,测试的有效性必须持续提起,即使是在缺乏测试标准的情况下。

致谢

该项目得到了瑞士KTI基金下COMET项目的资助,以及来自欧盟“地平线”2020研究与创新计划的资助,基金编号为NO.745601。

本文原载于《Photovoltaics International》,PV-Tech版权所有,未经许可严禁转载,违者必究

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