無主柵太陽電池電性能測試接觸及方法研究

摘 要：在太陽電池持續(xù)提效降本的過程中，其柵線金屬化技術(shù)一直是其關(guān)鍵路徑之一。太陽電池的主柵結(jié)構(gòu)已從2～6根的常規(guī)主柵方案演變至12～24根的多主柵方案；自2022年起，無主柵方案開始在太陽電池產(chǎn)業(yè)端應(yīng)用。I-V測試中常規(guī)的探針方案是依賴于探針在主柵上進(jìn)行電性能參數(shù)采集，這一方法與無主柵太陽電池存在著設(shè)計上的不匹配，無法實(shí)現(xiàn)有效I-V測試。因此，提出一種適用于無主柵太陽電池并兼容多主柵太陽電池的測試系統(tǒng)，確保測試過程中測試夾具與細(xì)柵電極可靠接觸，實(shí)現(xiàn)I-V特性的準(zhǔn)確測試。同時，通過結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)選設(shè)計，整套測試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性均得到提升，滿足了量產(chǎn)測試的要求。

關(guān)鍵詞：太陽電池；無主柵；接觸；I-V測試；產(chǎn)業(yè)化可行性

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

電流-電壓（I-V）測試是太陽電池生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性與測試速度是衡量測試質(zhì)量的核心指標(biāo)。常規(guī)主柵與多主柵太陽電池的I-V測試原理是：太陽模擬器工作時，太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生大量載流子，載流子通過細(xì)柵導(dǎo)出并匯集到主柵；太陽模擬器的采集系統(tǒng)通過上下探針排與主柵緊密接觸，從而完成太陽電池的I-V參數(shù)采集[1]。相較于常規(guī)主柵太陽電池，使用探針排對多主柵太陽電池進(jìn)行測試時，探針排的數(shù)量需要相應(yīng)增加，以適應(yīng)主柵數(shù)量的增加。當(dāng)探針排數(shù)量與主柵數(shù)量一致時，探針夾具遮擋嚴(yán)重，不僅會掩蓋太陽電池的電致發(fā)光（EL）缺陷，還會影響電性能參數(shù)測試的準(zhǔn)確性；當(dāng)探針排的數(shù)量少于主柵數(shù)量時，即與封裝時的焊帶數(shù)量存在較大差異時，會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，探針排的安裝空間限制與探針使用時間過長也是現(xiàn)有測試方法的弊端。

傳統(tǒng)的探針排測試方案于2022年開始在太陽電池產(chǎn)業(yè)端應(yīng)用，但其與無主柵太陽電池存在設(shè)計上的不匹配性，無法滿足測試需求，對此，研究者們開始對無主柵太陽電池的電性能測試方法進(jìn)行研究。德國ISFH CalTec檢測中心通過在彈性材料周圍包裹鍍金層作為夾具與細(xì)柵接觸來完成太陽電池的I-V測試，這種測試夾具是對探針夾具的改進(jìn)；然而其對彈性材料的厚度提出了一定的要求，且測試時會對太陽電池造成嚴(yán)重遮擋，影響測試結(jié)果[2]。Bassi等[3]設(shè)計的太陽電池的I-V測試夾具是在太陽電池上表面繃直的導(dǎo)線，利用導(dǎo)線的張力來與細(xì)柵接觸；其優(yōu)點(diǎn)是對太陽電池的遮擋面積較小，但在測試過程中，導(dǎo)線間及單一導(dǎo)線方向上的張力值存在差異，且多次反復(fù)測試后，很難保持導(dǎo)線組的張力值的一致性，會直接影響接觸測試結(jié)果的可靠性與導(dǎo)線的使用壽命。

鑒于現(xiàn)有太陽電池的I-V測試中夾具方案都存在明顯局限性，無法滿足生產(chǎn)線I-V測試的需求，本文基于無主柵太陽電池的電極結(jié)構(gòu)，在避免產(chǎn)生遮光面積過大的同時，綜合考慮測試系統(tǒng)長期的穩(wěn)定性與可靠性，提出一種適用于無主柵太陽電池且兼容多主柵太陽電池的I-V測試方案，該方案也可用于太陽電池EL測試。

1" 無主柵太陽電池I-V測試中接觸技術(shù)的解決方案

與針對常規(guī)主柵太陽電池的探針式I-V測試方案不同，無主柵太陽電池的I-V測試方案則要求夾具與細(xì)柵電極實(shí)現(xiàn)可靠接觸。針對這一挑戰(zhàn)，本文以測試導(dǎo)線（即夾具）代替上下探針排，上下夾具不僅均具備支撐功能，還可確保測試導(dǎo)線在長時間、高頻次的測試過程中保持壓力恒定；此外，其還具備緩沖功能，以補(bǔ)償太陽電池電極與上下導(dǎo)線組間距的不一致性，可以更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)電壓和電流值的采集，無主柵太陽電池測試夾具示意圖如圖1所示。

以該夾具進(jìn)行無主柵太陽電池EL測試，結(jié)果如圖2所示，測試過程中測試導(dǎo)線與無主柵太陽電池可實(shí)現(xiàn)可靠接觸。

2" 無主柵太陽電池I-V測試準(zhǔn)確性研究

太陽電池I-V測試包括2線制測試法和開爾文4線制（下文簡稱為“4線制”）測試法，但一般采用4線制測試法[4]。與2線制測試法相比，4線制測試法要求獨(dú)立測量正、負(fù)極線路的電壓和電流，通過電壓測試回路采集電壓，電流測試回路采集電流，以降低接觸電阻和導(dǎo)線電阻造成的壓降對測試結(jié)果的影響。2線制測試法采集電路示意圖如圖3所示，圖中：RL為電子負(fù)載；RIV為電壓測試回路和電流測試回路重合路徑上的等效電阻。

在2線制測試法中，電流流過時，等效電阻上產(chǎn)生壓降（其值為IRIV）會影響電壓表的讀數(shù)（其數(shù)值為VC–2IRIV，VC為太陽電池兩端電壓），此時壓降很明顯是因?yàn)榱鬟^測試回路重合路徑上的等效電阻的電流較大造成的，這會導(dǎo)致填充因子（FF）的測試結(jié)果偏小。

4線制測試法采集電路示意圖如圖4所示，圖中：RI為電流測試回路在太陽電池附近的等效電阻；RV為電壓測試回路在太陽電池附近的等效電阻。

由于電壓表接近斷路，雖然太陽電池附近的等效電阻未明顯變小，但所流過的電流很小，因此，產(chǎn)生的壓降也會很小。這意味著電壓表的讀數(shù)接近太陽電池兩端的電壓。在電流測試回路中太陽電池附近的等效電阻產(chǎn)生的影響，可以通過電源補(bǔ)償消除。因此，利用4線制測試法可以獲得較為準(zhǔn)確的填充因子測試結(jié)果。

傳統(tǒng)探針排作夾具時既采集電壓又采集電流，1個探針排夾具通過彼此獨(dú)立的電壓針與電流針實(shí)現(xiàn)電壓值和電流值的采集。電壓針的布局對電壓值的準(zhǔn)確采集至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確采集，電壓針一般采用均勻密排的方案，電流針對亦是如此。而對于無主柵測試方案，單一測試導(dǎo)線只能實(shí)現(xiàn)電壓或電流值的單獨(dú)采集，為了實(shí)現(xiàn)4線制測試法，需要獨(dú)立引出電壓線與電流線，并需分別研究電流線與電壓線的布局方案對I-V測試的影響。

2.1" 電壓線位置對測試結(jié)果的影響

設(shè)置不同電壓線位置，對182 mm半片無主柵異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池進(jìn)行I-V測試，測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出：電壓線距離電流線越遠(yuǎn)，其填充因子越高，光電轉(zhuǎn)換效率越高。其原因可通過電壓采集示意圖（如圖5所示）解釋：把1塊太陽電池劃分為若干個相同的小單元，單元之間的表面電阻是2R，藍(lán)色線條代表收集電流的導(dǎo)線。當(dāng)電路沒有接通時，沒有電流，此時點(diǎn)①、點(diǎn)②、點(diǎn)③的電壓都等于開路電壓；電路接通瞬間，點(diǎn)①的電壓（V1）會拉低，會有一半的太陽電池單元的電流從點(diǎn)③流向點(diǎn)①；點(diǎn)②的電壓（V2）是點(diǎn)①的電壓加電流與電阻乘積的一半（即V1+IR/2），點(diǎn)③的電壓值（V3）為點(diǎn)①的電壓加電流與電阻的乘積（即V1+IR）；當(dāng)正極電壓信號從點(diǎn)①采集時，測得的是正常的工作電壓；當(dāng)正極電壓信號從距離電流線更遠(yuǎn)的點(diǎn)②或點(diǎn)③采集時，測得的電壓值會偏高，導(dǎo)致測得的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率值增加。

光伏組件中的電壓線和電流線位于同一位置，為了測試結(jié)果與光伏組件實(shí)際工作狀態(tài)更匹配，電壓線應(yīng)盡可能接近電流線，但不能導(dǎo)通，避免短路。在實(shí)際工程中，電壓線和電流線間距可設(shè)置為0.1～2.0 mm，這樣既可以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，又具備較好可實(shí)施性，避免電壓線和電流線意外導(dǎo)通。

2.2" 電壓線數(shù)量對測試結(jié)果的影響

對182 mm半片無主柵HJT太陽電池進(jìn)行I-V測試，設(shè)置電壓線數(shù)量從12根逐根減至1根。為保證測試過程中遮光面積的一致，僅斷開電壓線與I-V處理器的連接，從而實(shí)現(xiàn)電壓線數(shù)量的變化，測試結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出：填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率與電壓線數(shù)量之間為正相關(guān)關(guān)系，隨著電壓線數(shù)量的降低，光電轉(zhuǎn)換效率明顯降低，光電轉(zhuǎn)換效率與填充因子的變化趨勢基本一致。

出現(xiàn)這種趨勢的原因可以通過不同電壓線數(shù)量I-V采集示意圖（如圖7所示）解釋。圖7是在圖5中點(diǎn)③電壓的基礎(chǔ)上，增加導(dǎo)線a、b，用于采集多點(diǎn)電壓。

由于電壓表可等效為斷路，所以僅分析電流路徑的變化。與圖5對比，圖7最左側(cè)太陽電池單元的電流不僅可以通過原有的表面電阻（即2R）到達(dá)藍(lán)色導(dǎo)線，還可以經(jīng)過導(dǎo)線a沿箭頭所示方向到達(dá)藍(lán)色導(dǎo)線，此段路徑的電阻僅為一半的表面電阻（即2R并聯(lián)后為R）。根據(jù)并聯(lián)電阻的原理，最左側(cè)太陽電池單元與藍(lán)色導(dǎo)線之間的總電阻值由2R減至2/3R；顯著降低了串聯(lián)電阻，相當(dāng)于在太陽電池表面額外增加了柵線，所以其填充因子會隨著電壓線數(shù)量的增多大致呈上升趨勢。

為了使測試結(jié)果更貼近實(shí)際光伏組件電路特性，電壓線的數(shù)量應(yīng)盡可能少，但太少的電壓線，不能代表整個太陽電池的電壓分布。如圖6b所示，在電壓線超過5根時，填充因子有較明顯的上升，此時所測得數(shù)據(jù)已偏離實(shí)際值，因此，建議電壓線的數(shù)量設(shè)置為2～5根。

2.3" 電流線數(shù)量對測試結(jié)果的影響

對182 mm整片無主柵TOPCon太陽電池分別進(jìn)行采用上、下夾具的不同電流線數(shù)量下的I-V測試。電流線數(shù)量從87根減至17根（以10根為變化量），同時保持6根電壓線，與電流線間距為2 mm。

2.3.1" 上夾具電流線數(shù)量的影響

在下夾具電流線數(shù)量為87根保持不變的條件下，減少上夾具電流線數(shù)量，進(jìn)行測試數(shù)據(jù)記錄，如圖8所示。

從圖8可以看出：上夾具電流線數(shù)量的變化與太陽電池的電性能參數(shù)存在明顯的相關(guān)性。其中，短路電流的變化幅度最大，圖8c中，隨著電流線的減少，遮光面積減少，短路電流呈線性增長趨勢，進(jìn)一步引起了光電轉(zhuǎn)換效率的線性增長；圖8d中，開路電壓呈現(xiàn)出緩慢的上升趨勢，這是由于開路電壓與太陽輻照度存在弱正相關(guān)性[5]，在電流線減少的過程中，太陽輻照度是逐步變強(qiáng)，所以開路電壓會有小幅度的上升。

綜合分析以上結(jié)果，上夾具電流線的數(shù)量是影響I-V測試結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，主要是由于遮光的變化引起有效太陽輻照度的變化。在下夾具電流線數(shù)量比較多的情況下，上夾具電流線數(shù)量的降低對填充因子的影響較小，在0.1%上下波動。

2.3.2" 下夾具電流線數(shù)量的影響

在上夾具電流線數(shù)量為17根保持不變的條件下，減少下夾具電流線數(shù)量，進(jìn)行測試數(shù)據(jù)記錄，如圖9所示。

從圖9看出：隨著下夾具電流線數(shù)量減少，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和填充因子的測試結(jié)果都呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度較小，雖然從27根減至17根時，光電轉(zhuǎn)換效率下降了0.044%，差值高于靜態(tài)重復(fù)度0.02%，但仍在動態(tài)范圍0.05%以內(nèi)；電流線數(shù)量從87根減至27根，光電轉(zhuǎn)換效率僅下降了0.025%，此變化仍在測試的動靜態(tài)重復(fù)性范圍內(nèi)。隨著電流線數(shù)量減少，電流需要經(jīng)過更長的路徑和更高的表面電阻才能導(dǎo)出，這相當(dāng)于增大了太陽電池表面的串聯(lián)電阻，會導(dǎo)致填充因子下降。在上夾具電流線數(shù)量較少時（17根），若下夾具的電流線數(shù)量減少至一定數(shù)值時，會觀察到光電轉(zhuǎn)換效率和填充因子突然下降的情況，因此，為了保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，電流線數(shù)量不能太少。

綜合考慮，在上夾具電流線數(shù)量保持17根時，下夾具電流線數(shù)量從87根減至17根過程中，存在光電轉(zhuǎn)換效率和填充因子突然下降的情況。因此，建議電流線數(shù)量不少于25根，為了與實(shí)際光伏組件的電路特性更接近，可以使電流線的數(shù)目與光伏組件焊帶的數(shù)量一致。

3" 準(zhǔn)確性、兼容性及其長期穩(wěn)定性

3.1" 無主柵夾具與探針夾具對比

3.1.1" EL對比

通過EL圖像，對探針夾具和無主柵夾具測試方案在182 mm整片的16主柵TOPCon太陽電池上的應(yīng)用效果進(jìn)行對比。采用不同夾具的太陽電池EL圖像如圖10所示。

采用探針夾具方案時，由于主柵數(shù)量較多且安裝空間受限，而探針排數(shù)量僅為8根，導(dǎo)致探針排無法覆蓋全部主柵，太陽電池的EL圖像出現(xiàn)明暗不均的情況；此外，由于探針排遮擋面積占太陽電池面積的24%左右，可能掩蓋太陽電池的部分缺陷。采用無主柵方案時，測試導(dǎo)線可全面均勻地分布在太陽電池表面，且遮擋面積小，僅占太陽電池面積的4%，使太陽電池的EL圖像明暗均勻，說明測試導(dǎo)線與太陽電池的接觸充分可靠，能真實(shí)反映太陽電池的缺陷。

3.1.2" I-V數(shù)據(jù)對比

利用某計量機(jī)構(gòu)提供的5片2級標(biāo)片（整片尺寸為182 mm的16主柵TOPCon太陽電池），分別標(biāo)定采用無主柵夾具的機(jī)臺和采用探針排夾具的機(jī)臺；然后在兩個機(jī)臺上分別測試這5片標(biāo)片。將該計量機(jī)構(gòu)提供的5片標(biāo)片的I-V測試結(jié)果的平均值作為基準(zhǔn)值，然后將采用兩種夾具時得到的I-V測試結(jié)果的平均值與基準(zhǔn)值進(jìn)行對比，得到相較于計量機(jī)構(gòu)測試結(jié)果，采用不同夾具類型時的太陽電池電性能變化情況，如表2所示。表中：?Eff、?FF、?Isc、?Voc分別為5片太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、填充因子、短路電流、開路電壓測試結(jié)果的平均值。不同方式得到的5片太陽電池的電性能測試結(jié)果如圖11所示。

從表2和圖11可以看出：相比于探針排夾具，無主柵夾具得到的測試數(shù)據(jù)更接近于計量機(jī)構(gòu)提供的2級標(biāo)片的測試數(shù)據(jù)，光電轉(zhuǎn)換效率差值僅為0.0229%，數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。這是由于對于多主柵太陽電池來說，探針排夾具覆蓋的主柵數(shù)量較少，且其對探針與焊盤的對位精度要求更嚴(yán)苛，微小的位置偏移都會影響串聯(lián)電阻和填充因子的準(zhǔn)確測試，以及整體測試的穩(wěn)定性；而無主柵夾具采用的是導(dǎo)線，其可以直接對太陽電池細(xì)柵進(jìn)行全覆蓋接觸，無需對準(zhǔn)主柵，電流、電壓的采集更加精準(zhǔn)。

3.2" 兼容性

使用無主柵夾具測試方案對不同主柵數(shù)量，不同類型、規(guī)格、廠家的太陽電池進(jìn)行動態(tài)重復(fù)度測試，測試步驟如下：

1）以10片相同類型太陽電池為1組，依次進(jìn)行I-V測試。

2）10片太陽電池按順序依次循環(huán)進(jìn)行4輪I-V測試，并記錄每片太陽電池的測試結(jié)果。

以每片太陽電池4輪測試中光電能轉(zhuǎn)換效率的最大值與最小值差值ΔEff，s來表征；動態(tài)重復(fù)度，其可表示為：

ΔEff，s=Eff，ma–Eff，mi" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Eff，ma為每片太陽電池4輪測試中的光電轉(zhuǎn)換效率的最大值；Eff，mi為每片太陽電池4輪測試中的光電轉(zhuǎn)換效率的最小值。

不同太陽電池的測試結(jié)果如表3所示，表中：ΔEff，s、?FFs、?Isc，s、?Voc，s分別為每片太陽電池4輪測試中光電轉(zhuǎn)換效率、填充因子、短路電流、開路電壓的差值。由表3可知：光電轉(zhuǎn)換效率差值極大值在0.04%以內(nèi)，差值均值在0.02%左右，已滿足太陽電池生產(chǎn)線動態(tài)重復(fù)度小于0.05%的要求。

3.3" 長期穩(wěn)定性

對無主柵夾具進(jìn)行長期穩(wěn)定性檢測，測試步驟如下：

1）采用全新無主柵夾具，以5片相同類型太陽電池為1組進(jìn)行動態(tài)重復(fù)度測試，并記錄數(shù)據(jù)；2）對無主柵夾具進(jìn)行不間斷的壓合測試，每間隔一段時間再進(jìn)行動態(tài)重復(fù)度測試并記錄數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果如圖12所示。

從圖12可看出：即使夾具壓合次數(shù)達(dá)到400

萬次之后，其穩(wěn)定性仍然保持良好，光電轉(zhuǎn)換效率差值極大值控制在0.04%以內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換效率差值的均值維持在0.03%以內(nèi)；在長期測試中，進(jìn)行壓合測試的太陽電池未發(fā)生破碎，證明了無主柵夾具對太陽電池的物理損傷極小，在保證長期穩(wěn)定性的同時，還能實(shí)現(xiàn)無損測試。

4" 結(jié)論

本文基于無主柵太陽電池的結(jié)構(gòu)特征，提出I-V測試夾具方案，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案滿足無主柵太陽電池I-V測試準(zhǔn)確性與可靠性要求，可兼容不同規(guī)格的多主柵太陽電池，且優(yōu)于傳統(tǒng)探針排夾具方案，具有更優(yōu)的測試準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與長期可靠性。動態(tài)重復(fù)度測試結(jié)果表明，該方案光電轉(zhuǎn)換效率差值控制在0.04%以內(nèi)，滿足產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；長期穩(wěn)定性測試達(dá)到400萬次壓合時，性能依舊穩(wěn)定，且壓合測試的太陽電池?zé)o損傷，證明了夾具的高耐用性與對太陽電池的無損檢測能力。本方案適用于產(chǎn)業(yè)化和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，為太陽電池性能評估提供了一種高效、可靠的測試工具。

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RESEARCH ON TESTING CONTACT AND METHODS FOR BUSBARLESS SOLAR CELL ELECTRIC PERFORMANCE

Zhang Hexian，Sun Yue，Liu Jiao，Lei Xiaojun，Li Tao，Du Guoshuai

（Gsolar Power Co. Ltd.，Xi'an 710018，China）

Abstract：Gate line etallization has always been one of the key paths in the continuous process of improving efficiency and reducing costs in solar cells. The busbar structure of solar cells has undergone an evolution from the conventional 2～6 busbars scheme to the multi 12～24 busbars，and the busbarless scheme has also been introduced in the industry since 2022. The conventional probe array testing scheme in I-V testing is based on the probe collecting electrical performance parameters on the busbar to achieve I-V testing，which has a design mismatch with the busbarless scheme and cannot achieve I-V testing of busbarless solar cells. Therefore，our company has developed a testing system suitable for busbarless and multiple busbar，ensuring reliable contact between the testing fixture and the finger during the testing process，and achieving accurate testing of I-V characteristics. Meanwhile，through the optimal design of structure and materials，the reliability and stability of the overall testing system also meet the requirements of mass production testing.

Keywords：solar cell；busbarless；contacting；I-V measurement；industrialization feasibility

通信作者：劉皎（1988—），男，碩士、中級工程師，主要從事太陽電池I-V測試方面的研究。Liuj@gsola.cn