基于SMU數(shù)字源表的鈣鈦礦太陽能電池片電性能測試方案

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前言

“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，發(fā)展新能源成為降低碳排放的第一驅(qū)動力。以太陽能為代表的清潔能源在市場上的占比大幅提升，與之對應(yīng)的太陽能電池同樣發(fā)展迅速。太陽能電池是一種吸收光能產(chǎn)生電能的半導(dǎo)體光電二極管，硅基電池作為第一代太陽能電池占據(jù)著市場主導(dǎo)地位；第二代太陽能電池為多元化薄膜電池，優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)化效率高、質(zhì)量小、厚度薄，但其研究原料的環(huán)境污染效應(yīng)頗具爭議；如今，以燃料敏化、量子點(diǎn)、鈣鈦礦為代表的第三代太陽能電池逐漸進(jìn)入人們視野。

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光伏市場廣闊

鈣鈦礦太陽能電池機(jī)遇蘊(yùn)于其中

目前，全球已有60多個國家制定了太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或指導(dǎo)意見；在第28屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP28）上，全球近200個締約方達(dá)成歷史性協(xié)議，呼吁在2030年前將全球可再生能源產(chǎn)能增加2倍，這對于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而言又是一大利好。

作為新一代太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池在光伏領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。鈣鈦礦材料具有較高的吸光系數(shù)、可調(diào)節(jié)的帶隙、較高的載流子遷移率、較低的激子結(jié)合能、較長的載流子傳輸距離等優(yōu)點(diǎn)。相比于晶硅電池，具有非常明顯的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從最初的3.8%迅速上升到25.7%，成為最具競爭力的理想光伏電池。

圖：鈣鈦礦電池和單晶硅電池實(shí)驗(yàn)室效率對比

根據(jù)CPIA預(yù)測，全球鈣鈦礦電池總產(chǎn)能將從2023年1GW增長至2030年461GW；2023至2030年的年復(fù)增長率達(dá)到140.01%。

數(shù)據(jù)來源：觀知海內(nèi)信息網(wǎng)

目前，鈣鈦礦電池正處在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的初期，由于其材料特性的影響，穩(wěn)定性方面還存在技術(shù)難點(diǎn)，和晶硅相比壽命及量產(chǎn)效率還有較大差距。此外，鈣鈦礦太陽能電池在性能測試中的遲滯現(xiàn)象會嚴(yán)重影響器件效率的測定，產(chǎn)業(yè)化I-V測試面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的測試方案存在明顯局限。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的性能參數(shù)評價、精準(zhǔn)的穩(wěn)定性測試以及符合使用場景的測試方法將有效的推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速

測試技術(shù)壁壘如何攻克？

光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)是鈣鈦礦太陽能電池最主要的性能評價指標(biāo)，常規(guī)測量效率的方法是基于特定的光譜和測試環(huán)境下，對電流-電壓曲線 (I-V曲線) 進(jìn)行測量，測試參數(shù)包括短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)以及填充因子(FF)等。量子效率一般用來表征光電流與入射光的關(guān)系，它不但能反映太陽能電池內(nèi)各層材料的質(zhì)量，也能反映減反膜、輻照損傷和各個界面層的質(zhì)量。

此外，熱斑效應(yīng)和PID效應(yīng)是光伏電站運(yùn)行過程中的多發(fā)問題。熱斑效應(yīng)是指某一太陽能電池片由于內(nèi)部缺陷或者外部遮擋，被當(dāng)做負(fù)載消耗其他有光照的電池片所產(chǎn)生的能量，在降低組件輸出功率的同時，還易使遮擋電池的局部溫度升高而受損。在光伏系統(tǒng)中，一般采用旁路二極管作為熱斑保護(hù)，能夠有效地防止電池片因熱斑效應(yīng)而燒毀，是光伏太陽能組件的重要組成部分。因此，旁路二極管的有效運(yùn)行直接影響著光伏電站的發(fā)電量及使用安全，性能測試十分重要。

圖：旁路二極管并聯(lián)示意圖

PID(Potential induced degradation)效應(yīng)又稱電勢誘導(dǎo)衰減，是光伏組件的封裝材料和其上下表面材料、電池片與其接地金屬邊框之間在高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移而形成漏電流，大量Na+電荷聚集在電池片表面，使得電池片表面的鈍化效果惡化，從而導(dǎo)致電池片的填充因子、開路電壓及短路電流降低，電池組件功率衰減，衰減程度可達(dá)50%。

圖：PID效應(yīng)示意圖

因此，如何科學(xué)有效的進(jìn)行旁路二極管電性能測試以及PID測試，對提高光伏組件發(fā)電效率及壽命非常重要。

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基于普賽斯數(shù)字源表的鈣鈦礦

太陽能電池性能測試解決方案

普賽斯儀表致力于數(shù)字源表的研究，并于2019年率先實(shí)現(xiàn)數(shù)字源表的國產(chǎn)化，陸續(xù)推出了高精度數(shù)字源表、插卡式源表等產(chǎn)品。圍繞鈣鈦礦太陽能電池的測試需求，聯(lián)合行業(yè)知名廠商為用戶打造科研級單通道及多通道太陽能電池測試解決方案，具有較好的一致性測量特性，可精確的輸出和測量電壓、電流，預(yù)防器件損壞；同時，極大的縮短測試時間、簡化整體測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有較好的可用性。為光伏器件的研究、質(zhì)檢以及應(yīng)用提供可靠的測試工具。

單通道I-V測試方案

單通道I-V測試系統(tǒng)以普賽斯數(shù)字源表為核心，搭載3A級太陽能模擬光源、夾具、溫度控制器以及專用I-V測試軟件等組成?？蛇M(jìn)行短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、填充因子(FF)等參數(shù)的測試。

圖：單通道I-V測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖：I-V測試曲線圖

多通道輪詢I-V測試方案

方案采用多通道LED光源、通道切換器以及S系列臺式源表組成。S源表通過通道切換器輪詢測試多顆鈣鈦礦電池。多通道LED光源提供模擬光源，配套多通道太陽能電池I-V測試軟件提升測試效率。

圖：MPPT輪詢老化測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

MPPT并行老化測試方案

采用CS系列插卡式源表(CS1010C + CS系列子卡)組建多通道老化測試方案，具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強(qiáng)，多設(shè)備組合效率高等特點(diǎn)。每個通道老化一塊電池，最大可支持40個通道老化方案。系統(tǒng)主要分為I-V測試、MPPT追蹤、V-t 測試和I-t測試四個主測試項(xiàng)目。

圖：MPPT并行老化測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

量子效率測試方案

方案以普賽斯數(shù)字源表為核心，搭配光源系統(tǒng)、光柵掃描單色儀以及樣品測試暗箱，可進(jìn)行光譜響應(yīng)度、外量子效率、內(nèi)量子效率、發(fā)射率/透射率、短路電流密度等參數(shù)的測試。

圖：量子效率測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖：量子效率測試曲線圖

旁路二極管熱性能測試方案

熱性能測試旨在確定二極管的溫度特性以及其在連續(xù)工作條件下的最大結(jié)溫，將組件加熱到指定溫度，并施加Isc或者1.25倍的Isc脈沖電流，脈沖寬度不大于1ms，實(shí)時檢測旁路二極管的正向電壓。參照IEC 61215-2規(guī)范，采用普賽斯PL系列窄脈沖LIV測試系統(tǒng)或HCPL100高電流脈沖電源作為脈沖電流源，輸出脈沖電流時可同步測量器件電壓，具有源測精度高達(dá)0.1%、輸出脈沖邊沿陡(最小100ns)、測試效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖：PL系列窄脈沖LIV測試系統(tǒng)

圖：HCPL100高電流脈沖電源

PID測試方案

方案采用E系列高電壓源測單元作為高壓源，給太陽能電池組件的電極和金屬邊框施加1000V或1500V高壓，測兩端之間是否存在漏電流。設(shè)備采用恒壓測流模式，最大電壓高達(dá)3500V，最小電流低至1nA。

圖：E系列高電壓源測單元

電池組件測試方案

鈣鈦礦電池組件通常是通過多塊電池串并聯(lián)形成，擁有更大電流和功率。普賽斯HCP大功率脈沖源表最大電流100A，最高功率支持5000W，能夠滿足大功率的電池組件I-V測試需求。

圖：HCP系列大電流臺式脈沖源表

S/P系列精密型數(shù)字源表(SMU)是對鈣鈦礦太陽能電池和各種其他器件的進(jìn)行電性能表征的最佳解決方案。其寬廣的電流和電壓測量范圍，可以為科研及生產(chǎn)制造提供卓越的測量性能。結(jié)合太陽光模擬器以及專用的上位機(jī)軟件，能極大簡化太陽能電池測試效率,可以更精確、更輕松的表征器件。

審核編輯 黃宇