毕业论文——太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究.doc

1、 硕士学位论文 太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究 1 摘 要 随着全球光伏市场的快速发展，光伏产品的应用越来越广泛，太阳电池、组件和户外系统的测试也随之越来越重要。文章以此为核心，首先介绍了太阳电池的标定、常规组件和户外系统的测试原理、方法和设备，其中针对市场上新出现的高效率单晶硅太阳电池组件进行测试研究，发现采用一般的市售短脉冲单次闪光测试仪将产生较大测量误差，通过对 NREL 和 Sandia 实验室标定的标准参考组件进行对比测量和模 拟研究，提出了解决方法；其次针对国内外对户外光伏系统测量研究较少的现状，研制出一种户外光伏阵列测试系统，实现 I-V 曲线和关键参数 (Voc Isc

2、 Vmp Imp Pmax 等 )的采集，从测试原理、设计到运行和测试的精确性都进行了详细研究和描述；最后利用该测试系统对小型户外光伏系统进行评价，自行设计小型 Siemens 和 SunPower 光伏系统各一套，对其进行全天候测试，通过比较 FF发现强光下 SunPower 系统性能明显优于 Siemens 系统，通过比较弱光下Isc发现光强上升和下降阶段 Siemens系统和 SunPower系统各自在短时间内略显优势，由于光强上升和下降阶段对于全天发电量影响较小，整体来讲 SunPower高效电池还是优于 Siemens 电池，通过 SunPower 电池的特殊结构对该现象可以得到初步

3、解释，同样的研究方法可以用于评价其他类型的电池组件。 关键词：太阳电池、组件、光伏系统、测试 2 Abstract With the development of the global PV market, More and more PV products are under application .The testing of solar cell, solar module as well as solar systems become more and more important .This thesis will focus on this issue ,First the ca

4、libration of solar cells, the testing principle and method together with the equipments of standard modules and the outdoor systems will be described here. Some of the new high efficiency solar modules were tested by common flash tester but severe testing error appears. After the simulation and test

5、ing of reference modules from NREL and Sandia, a solution will be proposed to resolve this problem. Considering the shortage of research of outdoor testing equipments, an outdoor testing system was developed and the I-V curve can be traced out as well as the key parameters such as open circuit volta

6、ge, the short circuit current, the maximum power, the current and voltage at the maximum power and so on, From the testing principle and design to the running condition and accuracy will be described. The last part of this thesis is an example of evaluation of solar systems by this testing system, t

7、wo kind of solar systems including Siemens and SunPower were installed and tested at the same time for a whole day. The SunPower system represents a higher output after the compare of FF under high light intensity while Siemens system has higher Isc value under the light ramp up stage and SunPower s

8、ystem has a higher Isc value under the light ramp down stage. Anyway the low light intensity time will only take a small part of the whole day radiation so the SunPower system is still superior to the Siemens system. Similar research can be done to evaluate other kinds of solar systems. Key words： s

9、olar cell,module, PV system, test 3 目 录 摘 要 .1 第一章 绪 论 .5 1.1：光伏市场发展状况 .5 1.2 常规太阳电池和组件制造工艺 .6 1.2.1 晶体硅太阳电池制造工艺 .6 1.2.2 晶体硅电池封装工艺 .8 1.3 太阳电池和组件生产设备 . 10 1.4 本文研究的重点 . 10 第二章 太阳电池和组件测试 . 11 2.1 标准参考光谱 . 11 2.1.1 标准参考光谱介绍 . 11 2.1.2 光谱不匹配 . 12 2.1.3 光谱不匹配修正 . 14 2.2 太阳电池的标定 . 15 2.3 常规太阳电池和组件室内测试 .

10、 16 2.2 高效太阳电池和组件室内测试 . 18 2.2.1电容效应对测试的影响 . 18 2.2.3 解决方法 . 22 第三章 户外光伏系统测试 . 25 3.1 户外光伏系统测试原理 . 25 3.2 测试系统研制 . 26 3.2.1 测试系统设计 . 26 3.2.2 硬件和软件配备 . 26 3.2.3 系统操作、调试及运行 . 30 第四章 户外测试结果分析及光伏系统性能评价 . 33 4.1 测量准确性分析 . 33 4.1.1 Voc：采集数据在光强较弱时误差较大 . 33 4.1.2 Isc：采集数据准确 . 34 4.1.3 Pmax,Vmp,Imp . 35 4.2

11、 光伏系统性能评价 . 35 4.2.1 运行情况 . 35 4.2.2 强光下输出性能比较 . 36 4.2.3 弱光下输出性能比较 . 38 第五章 结 论 . 40 攻读硕士阶段发表文章 . 41 4 致 谢 . 42 附 录 . 43 第一章 绪论 5 第一章 绪 论 1.1：光伏市场发展状况 2004 年，全球光伏产业产量突破 1GW 大关 1，大约生产了 1200MWp 的光伏组件，产值达到 58 亿欧元。 2001-2005 年，光伏产业年增长率超过 40%，成为目前增长最快的一个产业。里昂证券作的一份投资报告预测光伏产业将从 2004 年的58 亿欧元增加到 2010 年的 2

12、50 亿欧元，相应年度产量 5.3GWp 目前的太阳电池技术已经十分成熟，产品性能稳定。大多数光伏组件生产厂家都能够保证 20 年的使用寿命，传统能源价格的攀升和电网存在断电危险的可能性成为光伏产品受青睐的一个原因。 目前， 90%以上的光伏产品采用晶体硅电池制造技术，采用这种技术的优点是可以购买到整条生产线，装机和试运行时间比较短，投资回收风险较小。不过目前比较敏感的一个问题是硅材料，硅材料生产商没有跟上光伏产业迅速发展的步伐，导致硅材料日趋紧张。目前除了硅材料供应商大力扩产之外，光伏公司加速使用更薄硅片的步伐 ，生产效率更高的电池，以是减少每峰瓦的硅材料消耗，另外新的薄膜电池生产工艺开始进

13、入市场，避免使用大量硅材料。目前主要集中在a-Si,CdTe 和 CIGS 薄膜电池三方面。 图 1.1 1990-2004 年光伏产业发展 图 1.1 给出了全球 1999-2004 年的销售量，世界市场呈指数状增长，吸引了大量投资， 2004 年德国取代日本成为需求量最大的国家。整个光伏产业在 2004太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究 6 年增长 58.5%。几乎一半的增长源于德国市场的膨胀，从 2003 年的 153MW 增长到2004 年的 363MW，占据欧美需求量 88%的份额。 2001 至 2004 年欧盟的光伏安装量几乎已翻 3倍， 2004 年底装机总量已接近 1GW

14、。 80%的安装量在德国。西班牙和澳大利亚已经成倍增加其安装量。卢森堡公国也雄心勃勃想达到人均安装量 58.5Wp的目标，成为世界第一。如果欧盟都如此仿效，可以达到年装机量 26.4GWp，相当于 2002 年欧盟能源消费总量的 0.93%。 图 1.2 2004 年全球 10 大光伏公司 图 1.2 给出了 2004 年全球光伏产业前 10 位产量最大的公司。相对于 2003年，日本在 2004 年新安装了 268.8MW 光伏阵列，增长 25.5%。其中 85%是居民并网光 伏阵列， 2004 年累计达到 834MW，而全日本的光伏安装量是 1132MW。同时，日本光伏产品出口量达到 31

15、8.8MW，其中 224MW 出口到欧洲。日本光光伏制造商的占据全球分额的 50%以上，全球前 10 名的公司里有 3 家在日本。夏普 2004 年占据全球市场的 27%。 10 家大型企业占据全球分额的 79.7%，其余份额由是 30 家不同的小公司占据。 1.2 常规太阳电池和组件制造工艺 2 1.2.1 晶体硅太阳电池制造工艺 目前世界上大部分提供 Turnkey 解决方案的供应商都集中在单晶硅和多晶硅电池的制造领域，相对薄膜电 池来说，单晶硅和多晶硅电池制造工艺已经比较稳第一章 绪论 7 定成熟。非晶硅薄膜电池制造工艺虽然也已经比较成熟，但是由于衰减等原因，市场远不如晶体硅电池。表 1

16、.1 给出了目前常规晶体硅电池的制造工艺。 表 1.1 常规晶体硅电池的制造工艺流程 工艺流程 说明 示意图 硅片切割 将硅锭切割成硅片，目前工业界大规模生产以 270um的硅片居多。 表面锯痕腐蚀 切割之后的硅片表面已经造成损伤，采用强碱溶液腐蚀表面使之光滑，一般腐蚀深度几十个 um。 织构 单晶硅采用强碱溶液，多晶硅采用强酸溶液 对表面进行织构化，目的是降低表面反射率。 喷磷 将磷酸均匀喷涂在硅片表面，粒度达到微米级，一般可以采用超声雾化设备实现。然后烘干表面。 扩散 经过不同的温区，高温下将磷元素扩散到 P 型硅片里，在表面形成 PN 结。 边缘腐蚀 采用等离子体轰击硅片边缘去除导电层，

17、或采用激光刻蚀硅片边缘 ，将边缘与内部隔开。 太阳电池、组件和户外光伏系统的测试研究 8 制作减反层 采用 PECVD或 PVD设备在硅片表面沉积一层 SiNx，降低表面反射率。 印刷电极 采用丝网印刷机印刷背面电极、背面 BSF 铝浆，表面电极（栅线）。前两次印刷之后均要进行烘干。 烧结电极 印刷完前电极之后将硅片送入烧结炉，高温下 把浆料烧入电池内部，以穿透 ARC层为止。 分选 对烧结后的电池进行质量分类，全部工序结束。 电池制造生产工艺中，化学腐蚀、扩散、减反膜制作、印刷等步骤是质量控制点。化学处理过程需要进行精确的温度和浓度控制，补液程序也必须精确设定。否则硅片表面腐蚀质量难以保证，

18、并且有可能造成有毒气体或液体泄露，带来安全隐患。扩散是制作太阳电池最核心的步骤，为了达到较好的质量，必须对扩散之后的质量进 行检测，一般可以采用四电阻仪等。减反膜之后可以大大降低折射率，可以通过分光光度计等进行测量膜的质量。印刷步骤需要控制半成品的印刷栅线尺寸，粘附力等。 1.2.2 晶体硅电池封装工艺 目前晶体硅电池产量占全球份额中的 90%以上，所以晶体硅电池的封装也是太阳电池封装中最主要的组成部分，目前国内封装厂大部分采用人工封装，各厂家封装工艺大致相同，见表 1.2 所示。封装所需关键设备有激光切片机、层压机、测试仪等，目前都已经可以实现国产化。 第一章 绪论 9 表 1.2 常规晶体

19、硅电池封装工艺 工序 说明 备料 电池片 切割电池片（ 根据要求决定是否需要） TPE 按照设定尺寸切割 TPE EVA 按照设定尺寸切割 EVA 玻璃清洗 清洗玻璃 玻璃外观检查 玻璃 涂锡铜带 切割涂锡带，焊接主栅线 接线盒 切割导线，安装正负极接头，组装接线盒 焊接 检片 确保不符合相关标准的电池片不进入下道工序 焊接串带 按照要求焊接串联电池片 检测 检测电池串是否有断片、短路现象 排版 按照图纸排列电池串，焊接主栅线 外观检测 检查待压板是否混入杂物 检测 检查是否有破片，测量一定光强下的 Voc，无任何可造成短 路的现象 层压 层压 层压电池板 切边 切除层压时被挤出边缘的 EVA 和剩余背板材料 缺陷检查，分类 根据公司制定的检查标准检查电池片是否有破损，缺口，断片，颜色不一等 胶凝度 /剥离度测试 周期性检查层压板的胶凝度和剥离强度 包装 安装边框 装框 绝缘测试 测试电池板高压下的绝缘性能 (如 2670V， 1s,50uA) 安装接线盒 安装接线盒 清洗 采用有机溶剂清洗表面污垢 电性能测试 测试电池板 I-V 曲线 分类 根据电性能，外观类别分类，标识。 打包 打包，外箱标识