太陽能電池組件過程功率測試準確性提高的研究

張福家，王翼倫，湯 輝

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111）

太陽能電池組件過程功率測試準確性提高的研究

張福家，王翼倫，湯 輝

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111）

主要研究提高晶體硅太陽能電池組件功率測試準確性的方法。通過優化測量環境、測量儀器設置等因素，功率測量準確性能夠得到有效提高，這些方法在組件生產中的應用對質量保障非常有利。

太陽能電池組件；功率測試儀；溫度系數；標準組件

隨著晶體硅太陽能光伏產業技術水平的不斷提高，晶體硅太陽能電池組件的效率不斷提升，成本不斷下降，質量要求也日益嚴格；在評價太陽能電池組件的質量中，輸出功率是核心參數，也是企業最為關注的數據；實現額定輸出功率的精確測量，既需要精確的標準光譜光源，又需要精確的標準太陽能電池組件；以當今最有效的技術手段來實現光譜量值傳遞不僅環節復雜，而且具有非常大的不確定性，量值傳遞過程帶來的計量誤差使得太陽能電池組件測量的偏差超出了人們常規想象，這個問題一直困擾著組件的制造商和使用者；況且，采用昂貴的進口功率測試儀，不是一般生產商所能承受。這樣，如何以現有的技術條件，發揮出最佳的精確度測得太陽能電池組件輸出功率成為光伏從業人員無可回避課題，本文的核心思想就是論述以目前太陽能電池組件加工廠所具有的設備和環境條件如何實現更為準確的額定輸出功率的測量。

1 太陽能電池組件功率測試原理

在晶體硅太陽能電池及電池組件功率測試領域，標準電池和標準電池組件作為參考標準作用相當關鍵，二者如何產生，相互之間有何聯系，對理解晶體硅太陽能電池組件的功率測量非常重要。在1993年到1997年的PEP93國際標準太陽電池比對活動中，全世界有8個國家的17個太陽能電池測試實驗室參加。通過統計分析這些實驗室的太陽能電池片測試結果，最終美國的NREL、德國的PTB、日本的JQA/ETL和中國的TIPS（中國電子科技集團公司第十八研究所）4個實驗室測量數據因偏差最小而被采用，這些實驗室送樣的參考電池片就作為世界上太陽能電池標準的原級被各個實驗室保存下來，并且在目前的標準傳遞過程中使用。太陽能電池組件的原級標準就是采用電池片原級標準傳遞，傳遞過程：用電池片標準在實際太陽光底下進行測量，當確定太陽光輻射功率為1 000 W/m2時，由于太陽光是無限均勻的，就把太陽能電池組件備用標準在此太陽光底下進行測量，得出該組件的功率數據被確定為組件原始標準，我們每個組件廠所用的公認標準組件是在實驗室中通過太陽能模擬測試儀用精度更高的標準組件比對測量得來。

為了統一太陽能電池組件的電性能測量結果，國際標準規定太陽能電池的功率測量要求在標準測試條件下進行，即要求測試儀光源的輻照度為1 000 W/m2、溫度為25℃±1℃、大氣質量為AM1.5、測試儀器光源達到3A光源（均勻性、一致性和光譜匹配性均達到A級要求）。測量時，測試儀的光源瞬間對被測電池組件進行光照，產生光生伏特效應，電子負載在光源閃光時間內以電壓方式從I-V特性曲線的短路端 （或者開路端）向開路端（或者短路端）掃描，進行數據采集，繼而測得需要的參數值和曲線；測量數據主要包括短路電流Isc、開路電壓Voc，最佳工作電流、最佳工作電壓、填充因子等一系列電性能參數。

2 影響組件功率測量可靠性的因素

影響太陽能電池組件功率測試結果的主要因素有：被測組件特性、測量環境、測量設備特性和測量操作過程。

2.1 被測組件本身特性的影響

2.1.1 組件的溫度均勻性

晶體硅電池組件有電壓和電流溫度系數，溫度升高，開路電壓會大幅減少，電流有少量增加；這樣，組件的實際溫度與標準測量溫度的差距以及組件內部溫度不均勻性將直接導致測量誤差；在實際生產中，組件在功率測試前的擺放方式一般為疊放，即使進行較長時間恒溫，在組件內部和組件之間也很容易存在溫差，如圖1所示。

圖1 組件疊放圖

溫度的不均勻和不穩定，一般會為組件測量帶來2～3 W的測量偏差。

2.1.2 組件受光面清潔度

組件玻璃表面的污染，對透光率造成影響，造成組件內部個別電池片低效假象，產生電池片間功率失配，從而為功率測量引入測量誤差；在普通的室外環境中，230 W組件放置48 h后進行恒溫測量在排除其他因素的情況下，230 W的組件清潔前比清潔后的功率測試統計結果變化趨勢明顯，經過多次比對統計，平均少0.3～0.4 W，見表1。

表1 清潔前后測試比對圖

2.1.3 組件幾何尺寸穩定性

組件測試時，先要用標準組件進行標定，如果被測組件幾何尺寸和標準組件的幾何尺寸存在差異或者被測組件機械尺寸及位置不穩定（組件受光面長和寬、組件玻璃面與測試儀玻璃面的距離），會造成標準組件和被測組件測試時所接受的光通量存在差異，從而導致測量誤差；由于組件功率測試儀的光源是點光源，不是無限均勻光源，測量面只要與點光源間有較小的距離變化，該測量面上的光強、光譜特性就會有一定變化，從而引入測量的不確定性。對某些功率測試儀來說，測量面與光源方向變化1 cm，230 W組件功率測量結果有0.5～0.8 W偏差。

2.2 測量環境的影響

組件測試的環境因素主要是溫度和濕度。

適宜的濕度可以防止靜電，但濕度太高容易使組件或設備表面、內部結露，造成組件測量誤差或損壞測試設備。一般情況下，組件硅膠固化恒溫室離測試間很近，固化間在加濕器的作用下，濕度非常高，通過空氣對流容易導致測試間的濕度超標，同時空氣中的成分復雜，特別是鹽分的污染，容易導致組件表面和測試儀表面結露，影響測量精度。因此，有效的解決措施就是測試間和固化間做有效隔離。

相對濕度來說，溫度因素影響測量結果的程度要大，在電池片工藝確定的情況下，組件的開路電壓、短路電流、峰值功率都有確定的溫度系數，在實際測量時組件功率測量換算公式為：

25 ℃實際功率=當前測試功率×{1+（25-當前實測溫度）×功率溫度系數}

一般情況下，開路電壓溫度系數為-0.34%/℃，短路電流溫度系數為0.06%/℃，峰值功率溫度系數為-0.44%/℃；其中電壓、功率溫度系數為負溫度系數，電流溫度系數為正溫度系數；基于組件測試標準的要求，組件所提供的額定電氣參數必須在25℃的條件下測定，測試設備廠家在設計時其精度最高點也必然選擇在25℃附近，標準組件所提供的電氣數據也是由第三方機構在25℃下測得，如果測試環境溫度偏離25℃太遠，組件本身、標準組件和測試設備都會由于溫度特性引入測量誤差，增加組件測試結果的不確定性。

對一般廠家來說，在判斷溫度影響測量誤差時，往往會認為生產過程中被測量組件在恒溫測試室放置了足夠長的時間，被測組件的溫度與恒溫實驗室溫度相同。實際上，由于恒溫測試室本身溫度的不均勻性以及實際生產中太陽能電池組件可能無法在恒溫測試室內放置足夠長的時間，測量環境溫度所引入的測量誤差要遠大于生產者預料，并且很不穩定。

所有這些環境因素均會對測量造成影響，如果不進行應有的關注和采取有效的措施，其誤差綜合積累往往會導致意想不到的測量偏差。例如，在組件功率測試的時候，同一批245 W組件，在同一廠家同樣型號的兩臺測試儀上分別進行測試，用同一塊標準板進行校準，其平均功率偏差有1～2 W，在不同的生產車間進行測試，相差甚至在2 W以上，究其原因，就是測量環境不同導致。

2.3 測量設備固有特性的影響

2.3.1 測試儀光源質量要求

組件功率測試儀光源的基本要求：光源輻照度在800～1 200 W/m2內連續可調；在有效輻照面積內的輻照不均勻度≤±2；輻照不穩定度≤±1；A級光譜分布滿足表2的要求。

表2 光波長分布表

其中：Emax代表該區域內最大輻照度，Emin代表該區域內最小輻照度。檢驗輻照不穩定度的方法與檢驗輻照不均勻度的方法很類似，固定在一個點上并在規定的時間間隔內測量。太陽模擬器光輻照度的不均勻性，在組件I-V特性曲線異常中的影響很明顯，對短路電流測量值最大可能產生5%的偏差。

在現實的技術條件中，氙燈光源光譜分布與太陽光的光譜分布最接近，太陽模擬器的光源一般選擇氙燈，但實際上氙燈光源的光譜分布和太陽相比也存在著很大的差別，氙燈的紫外和紅外區部分明顯比太陽偏強，同時氙燈的光譜分布隨總輻射能量的變化而變化，氙燈的老化也會使光譜分布發生變化；實際生產過程中，氙燈的光譜差異對實際功率造成偏差往往在0.8%以上。

2.3.2 測試儀補償參數的設置與標準組件的校準

一般情況下功率測試儀需要進行測試設置，設置的參數主要有電流溫度系數、電壓溫度系數以及溫度補償參考溫度（一般為25℃），對每個電池片的生產廠家而言，由于硅料工藝、硅片工藝以及電池片工藝不同，其電池片的溫度系數就必然不一樣，因此，在組件測試時，功率測試儀內的溫度系數設置時一定要與電池片生產廠相對應，否則就會引入測量誤差，如果是沒有設置，其產生的這種測量誤差將更大。

為了保障太陽能電池組件電性能測量結果的準確性，通常需要用標準組件定期對測試儀進行校準，功率測試儀系統是典型的電子測量系統，其電路系統存在零位漂移，影響測量結果精度，需要用標準組件定期對這種情況引起的測量誤差進行修正，也就是我們組件生產中在線校準。校準方法、校準頻率不當都會引入測量誤差。對國產的功率測試儀來說，當測量系統在3 h內未進行校準時，通過統計，其測量結果將可能會出現一定數量的數據變化趨勢，在環境因素變化時，其變化趨勢尤為明顯。表3是同一個組件在儀器校準頻率不同時出現的測量結果。

檢驗輻照不均勻度的方法是，在測量區域內：

表3 校準測試比對表

2.4 測量操作過程的影響

（1）標準組件、被測組件放置在不同環境中，導致標準組件對測試儀的校準結果與被測組件不匹配，從而造成測量誤差，標準組件、被測組件溫差越明顯，該操作所造成的測量偏差將越大；

（2）標準組件對測試儀的校準頻率過低，功率測試儀電子系統零漂未及時補償，從而引入測量誤差，校準的時間間隔越大，可能造成的測量誤差將越大；

（3）測試儀測量臺光均勻性未及時校驗或維護從而引入測量誤差；

（4）測試儀測量臺的灰塵、臟污未及時清理、臺面玻璃的磨損及濾光玻璃未及時維護，導致光照輻射均勻性不夠，造成測量誤差；

（5）測試臺面零部件磨損，導致實際測量面位置經常性的變動，造成測量誤差；

（6）未對溫度補償系數等參數進行設置，使測量時測試儀不能進行數據補償，從而造成測量誤差；

3 減少測量誤差的途徑

3.1 正確的恒溫方法

3.1.1 太陽能電池組件的正確恒溫方法

提高恒溫室的溫度均勻性，必須采取正確的恒溫方法；組件擺放有利于空氣對流，恒溫室內要用空氣對流裝置，將空氣擾動并攪均勻；組件在疊放時，組件上下必須適當錯位，避免上下組件間形成封閉空間，有利于空氣對流，減少溫差，每托組件四邊側間預留適當空間，以利于空氣在上下和水平面對流，在垂直方向和水平方向放置對流風扇，促進空氣對流，使溫度均勻性≤±1℃。圖2所示為溫度均勻性數據，就是采取了必要的對流措施后，用手持式紅外線溫度測量儀測量一托組件外側表面溫度測量結果。

圖2 組件恒溫正確疊放

3.1.2 太陽能電池組件正確的恒溫時間

太陽能電池組件主要組成材料為玻璃、EVA、背板等，硅電池片材料完全被EVA材料密封，這些材料的恒溫特性直接影響電池片的溫度及溫度均勻性，從而影響組件電池片電性能輸出。根據實驗科學和組件測試實驗室的實踐經驗，在實驗室空調恒溫效果滿足要求的情況下，10 kg以下組件恒溫時間需要達4 h以上，10～50 kg的組件在恒溫室內恒溫時間需要達8 h以上，才能使組件的溫度、溫度均勻性達到要求。

3.1.3 組件功率測試儀的環境條件及恒溫時間

組件測試室溫度為25℃±1℃，濕度在60%以下，在恒溫測試間的溫度滿足測試要求的情況下，功率測試儀需要恒溫2 h以上才能展開測量，功率測試儀處于關閉狀態，開機后需要預熱1 h穩定后，然后才能展開測量。

3.2 正確的設備維護保養規程

燈源需要定期校驗、更換；氙燈的使用壽命一般為10萬次，到期必須更換；

濾光玻璃間是沒間隙的，出現間隙，必須把間隙消除后進行光譜調勻；

表面輻照度的均勻性測量和校驗；每天開機測試時，在正式測量組件前用小功率小面積組件對功率測試儀的測量表面進行輻照度均勻性校驗；

電子零部件的正常更換，避免零漂；功率測試儀內部電子器件定期更換，以免老化失靈；

機械運動部件及時維護或更換；導軌輪磨損后會導致組件與光源間距離發生變化，磨屑對玻璃測量面容易造成污染，導致光強均勻性發生變化，另外紅外線測溫儀與組件間的距離也會發生變化，造成組件表面溫度測量、溫度補償的誤差變大。如圖3所示，必須保持A、B尺寸穩定，保持測量臺潔凈。

圖3 測試儀示意圖

測量電纜需要延長時，必須選用阻抗性能匹配電纜，且注意接頭金屬件的表面氧化層的清除，以免造成功率損失。

3.3 測試儀的正確操作和設置

3.3.1 功率測試儀溫度補償功能的設置

理論上，功率測試實驗室的測量環境必須符合標準測量環境，但客觀條件下，測量環境每個參數只能保證在公差范圍內，溫度等實際環境參數與標準環境參數是有差距的，同時，在恒溫室內，不同的組件，其實際溫度也有差別。但組件廠提供的功率數據必須是標準測試條件下的數據，而溫度對測量結果影響又相當大，這樣，在測試時必須對測量結果以標準測試溫度為基準進行補償，也得必須進行相應的補償設置。

溫度傳感器的校準：溫度測試功能和電流電壓溫度補償功能是相互配合使用的，測試儀的溫度傳感器是用于測量環境和組件的溫度，通常情況下，功率測試儀采用紅外線測溫儀來獲得組件的表面溫度，環境溫度的測試則用其他類型的傳感器。這兩個傳感器必須每年校驗一次。

溫度補償中測量溫度的選用：在電流電壓溫度補償功能中，補償選用的溫度是環境溫度還是組件表面溫度，是有區別的，無論客觀上還是在理論上，選用組件表面溫度肯定對測量結果的精準度是有益的。

電流、電壓溫度補償系數的正確設置：在應用中，溫度補償系數不是一成不變的，每個電池片生產廠由于原料工藝、生產過程工藝不同造成溫度補償參數不同，必須設置電池片生產廠實際的溫度補償系數，由于操作者的忽視，該項很容易因疏忽引入測量誤差。

溫度補償系數中電池片面積的正確設置：電池片尺寸種類很多，硅單晶電池片尺寸有125 mm×125 mm、156 mm×156 mm類型,125 mm×125 mm類型里又分對角線為150 mm和165 mm兩種，硅多晶電池片尺寸有125 mm×125 mm、156 mm×156 mm類型，這些尺寸的不同，造成電池片的面積差別很大，組件在進行功率測試時，必須準確設置實際被測組件的電池片面積，才能減小該部分引入的測量誤差，對測試操作者來說，該項的正確設置也很容易被忽略。

3.3.2 功率測試儀內標準電池的定期校驗

功率測試儀內的標準電池是驗證測試儀光強的標準。用于燈源不同閃光時光強的比較后，對測試結果數據進行補償處理，減少光強的波動對測試結果的準確造成影響。對測試儀來說，每次閃光測試的光強是有一定的差異，這由客觀光源、電路的穩定性決定，如：測試儀第一次閃光，得出光強1 000 W/m2；第二次閃光，得出光強 1 050 W/m2；這兩次測試光強是通過標準電池的輸出電壓電流計算出來的。由于標準電池作用關鍵，組件生產廠家必須一年校驗一次。

3.4 標準組件的正確選擇和正確使用

標準組件的選擇：標準組件的結構尺寸與被測組件結構尺寸要保持同一性，標準組件的電池片尺寸和類型與被測組件要保持同一性。

標準組件的正確使用：標準組件的應用方法有功率校準和電流、電壓校準；在通常情況下，被測量組件需要長時間放置在恒溫環境中以保證被測量組件內的太陽能電池的溫度達到25℃。生產中使用的溫度測量系統，準確度為±2℃。如果使用功率校準的方法，由此而產生的峰值功率測量系統誤差為：

如果使用短路電流校準方法，由此產生的短路電流測量系統誤差為：

從溫度因素的影響來判斷，選擇電流校準方法引入的誤差要小很多。

4 試驗比對結果

以下是用兩塊合格的二級標準組件考核組件測試相關人員操作技能的記錄，其中一塊標準板為239.7 Wp，被用于測試儀校驗標準，另一塊標準板為241.3 Wp，被當作一般組件混入過程組件中進行測試；被考核的員工分別是測試員工、測試工序組長、質檢班長；考核記錄如表4所示。

表3 校準測試比對表

三種相關測試崗位員工的測量結果平均值與標準值的偏差明顯不同，一般測試員工的測量結果偏差明顯高于測量工序組長、質檢班長，值得說明的是這三種員工所掌握測試技術知識熟練程度是不同的，質檢班長已經長期在測試崗位鍛煉，并經過嚴格考核才提拔到質量管理崗位；測試工序組長也經過崗位鍛煉并考核后才提拔為工序組長；一般測試員工一般只是經過了相關測試培訓后才安排在測試崗位，知識和經驗相對不足；雖然一般測試員工的測量結果偏差相對較大，其結果并不是不合格，偏差在正常范圍內，但在質量管理方面值得警惕。

5 結 論

為了提高組件廠功率測試結果的準確性，首先需要保障被測產品所放置恒溫室的溫度穩定性和均勻性以及保持被測產品足夠的恒溫時間；其次，保障功率測試儀測量環境，定期對功率測試儀上的傳感器進行檢驗，定期對功率測試儀進行相關維護，并用標準組件定時對功率測試儀進行校準；第三，測量過程嚴格按操作規程操作。值得強調指出的是，太陽能電池組件有其獨特的電氣特性，影響功率測量結果的因素復雜，組件廠測量崗位員工，特別是直接測量的員工，一定要嚴格培訓，掌握全面的測量知識，養成嚴謹的工作習慣，才能達到防控功率數據質量方面風險目的。

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[1]任駒，郭文閣，鄭建邦.基于PN結的太陽能電池伏安特性分析與模擬[J].光子學報，2006（2）：171-175.

[2]張治，董鵬，呂欣，崇鋒，王雪松.太陽電池I-V測試儀校準實質的研究[J].太陽能，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

張福家（1971－），男，湖南衡山人，本科，高級工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。

王翼倫（1973－），男，湖南祁東人，本科，工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。

湯輝（1969-），男，湖南益陽人，本科，高級工程師，主要從事太陽能電池組件工藝的研制。