一種便于實現的標準太陽電池的結構設計

無錫市產品質量監督檢查院 ■ 王億 朱冰潔 王順權 宋昊 劉鶯 陳鵬 曾鵬

0 引言

標準太陽電池是光伏行業中非常重要的標準器件，它通常作為標準物質使用，對太陽電池或光伏組件測量起到量值溯源的作用。標準太陽電池性能的穩定性、數據的準確性對太陽電池和光伏組件的測量有著十分重要的影響。目前，主流的標準太陽電池廠商為歐美、日本和國內少數研究機構，生產的標準太陽電池性能參差不齊。本文介紹了一種標準太陽電池的結構設計，重點介紹了整個制造過程，并對完成的樣品性能進行了分析，取得了滿意的效果。

1 結構主體

本文介紹的標準太陽電池設計結構如圖1所示，主體部分由晶體硅電池片、石英玻璃、鋁合金外殼、可伐合金基板、鉑電阻pt100、lemo連接器構成[1]。

圖1 標準太陽電池結構圖

1.1 晶體硅電池片

晶體硅電池片是標準太陽電池的核心部件，起標定光源光譜輻照度分布的作用。晶體硅電池片選用高效率的單晶硅電池片，首先對電池片進行穩定性處理，然后切割成20 mm×20 mm的尺寸，切割時保留電池一邊的主柵線，并將電池邊緣作絕緣處理，在主柵線及電池片的背面分別引出電池的正、負極。完成后的晶體硅電池片如圖2所示。

圖2 晶體硅電池片

1.2 石英玻璃

石英玻璃作為標準太陽電池的窗口層，其性能指標決定了到達晶體硅電池表面的光強和光譜分布。本設計選用紫外高透石英方形玻璃片，邊長為49.7 mm，厚度為3.2 mm，倒角為45°。玻璃表面經過細磨精拋光，在300～1200 nm波段下透過率超過91%，其透過率曲線如圖3所示。

圖3 石英玻璃透過率曲線

1.3 鋁合金外殼

標準太陽電池主體部分采用6061鋁合金，具有加工性能佳、抗腐蝕性好、韌性高、加工后不變形、材料致密無缺陷等優良特點。鋁件本體加工完成后，表面進行拋丸及硬質氧化處理，氧化后表面反射率曲線如圖4所示。

圖4 鋁合金表面反射率曲線

由圖4可知，該外殼在波長為700 nm以下時，反射率控制在5%以內；在波長為700 nm以上時，有著較高的反射率。

1.4 可伐合金基板

基板采用4j29可伐合金。可伐合金作為電池片的襯底使用，最終與電池片、玻璃和EVA一起進行層壓。該合金在20～450 ℃范圍內具有與硬玻璃相近的線膨脹系數，與相應的硬玻璃能進行有效封接匹配。由于可伐合金在窗體內部石英玻璃板下層，其反射率曲線的好壞會對標準光伏組件性能產生極大影響，因此，將可伐合金加工成型后，還需進行啞光黑噴塑處理。可伐合金基板表面反射率曲線如圖5所示。

圖5 可伐合金基板反射率曲線

由圖5可知，在波長300～1200 nm以內，可伐合金基板表面反射率都控制在5%以內，滿足標準IEC 60904-2的要求[2]，有不錯的效果。

1.5 鉑電阻pt100

溫度傳感器選用鉑電阻pt100，其在0 ℃時的阻值Ro漂移小于等于0.04%。鉑電阻pt100采用四線法連接至lemo連接器上，安裝于可伐合金與鋁合金基底之間。利用一個無頭螺釘將pt100緊壓在可伐合金的底部，由于電池片緊貼著可伐合金，可伐合金又僅有1 mm的厚度，因此，電池片的溫度變化能較為靈敏地反映到pt100上。

1.6 Lemo連接器

連接器采用4芯lemo連接器，2個lemo頭母頭分別利用四線法與電池片和pt100相連接，固定于鋁合金基底的一側邊。

1.7 組裝

選用與石英玻璃折射率相近的EVA，按照“玻璃-EVA-晶體硅電池片-EVA-可伐合金”的順序進行層壓[3]，層壓完成后進行電池、pt100與lemo連接器的焊接，焊接完成后進行殼體的安裝。完成的標準太陽電池如圖6所示，完成后的樣品窗口視角163°，滿足標準IEC 60904-2的要求[2]。

圖6 完成的標準太陽電池

2 性能測試

2.1 光譜響應

對制成的標準太陽電池進行性能測試，其外量子效率曲線和光譜響應曲線如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，該標準太陽電池光譜響應特性與各類型晶體硅光伏器件光譜響應特性相類似，足夠用于各種晶體硅類型光伏器件的測量。

圖7 標準太陽電池外量子效率曲線

圖8 標準太陽電池光譜響應曲線

2.2 電流電壓特性曲線測量（I-V曲線）

在AM 1.5G測試條件下，標準太陽電池的電流-電壓、功率-電壓特性曲線如圖9所示。

由圖9可知，標準太陽電池的短路電流為0.137 A，則其短路電流密度為34 mA/cm2。電池有著較高的光電轉換效率，且因為常見的晶硅類

圖9 標準太陽電池的I-V、I-P特性曲線

電池及組件有著相似的光譜響應曲線，使得該標準太陽電池能夠用于各種類型的太陽電池及光伏組件的測量。當需要測量其他類型的光伏器件，如非晶硅、微晶硅、有機電池等具有不同光譜響應特性的光伏器件時，只需要在該設計基礎上更換窗口層與晶體硅電池片的類型，使匹配后光譜響應特性與被測光伏器件相適應即可。

3 結論

本文介紹了一種便于實現的標準太陽電池的結構設計，并對該設計的選材及封裝作了詳細介紹。該設計符合標準IEC 60904-2中對于參考電池結構的要求。通過該設計制作的標準太陽電池有不錯的性能表現，能用于各種單、多晶硅電池及組件的測量，并且當更換電池與窗口玻璃的選材時，亦能用于對其他類型光伏器件的測量。