太阳能电池并联电阻的一种测量方法

①1997- 10- 17 收稿; 1998- 02- 15 定稿 ②云南省“九五”科技攻关计划资助项目 第 19 卷第 4 期 半　导　体　光　电 Vol. 19 No. 4 1998 年 8 月 Sem iconducto r Op toelectron ics A ug. 1998 太阳能电池并联电阻的一种测量①② 陈庭金　涂洁磊 (云南师范大学, 昆明 650092) 汪东翔　董　俊 (云南半导体器件厂, 昆明 650033) 摘　要: 　对于用常规工艺制作的大面积太阳能电池, 需要经常对电池的并联电阻进行监测。 文章描述的从电流的直流模型导出的并联电阻测量方法, 只需将电池测量中的部分 I - V 数据进 行处理, 即可得出电池的并联电阻。 关键词: 　太阳能电池　并联电阻　直流模型　测量方法 中图法分类号: 　TM 914. 4 A m easur ing m ethod for shun t resistance of solar cells CH EN T ingjin TU J iele i (Y unnan Normal Un iversity, Kunm ing 650092, CHN) W NA G Dongx iang DON G Jun (Y unnan Sem iconductor D ev ice Factory, Kunm ing 650033, CHN) Abstract: 　Shun t resistance of la rge area so lar cells m anufactu red w ith conven t iona l p rocess m u st be m easu red frequen t ly. A m easu ring m ethod fo r the shun t resistance derived from direct cu rren t m odel is described, w h ich can be ob ta ined sim p ly by trea t ing a part of I - V data du ring the m easu rem en t. Keywords: 　So lar Cell, Shun t R esistance,D irect Cu rren t M odel,M easu ring M ethod 1　引言 太阳能电池产生的电能中, 有一部分由于电池 内部漏电流而损失。对于单晶硅和多晶硅电池, 形成 漏电的主要原因有: 通过 p - n 结的漏电流; 沿电池 边缘的面漏电流; 金属化处理之后沿着微观裂缝 或晶界等形成的细小桥路而产生的漏电流。所有这 些漏电流在理论上都可以归结到电池并联电阻 (R sh) 之中。由于 R sh对电池的电性能有相当大的影 响, 所以在电池制作中, 总是希望R sh愈大愈好。对于 小面积电池, R sh常常是很大的。比如 1 cm ×2 cm 到 2 cm ×6 cm 的电池, 其 R sh的典型值是 (103～ 105)8 [ 1 ]。在生产和应用中, 通常认为 R sh的影响不太重 要, 在制作过程中一般也未进行控制。但对于大面 积单晶硅电池, 特别是多晶硅电池, 如面积为 (78～ 100) cm 2, 其 R sh往往较低, 一般约为几欧姆, 因此, R sh的影响不能忽略, 甚至成为影响电池输出功率的 重要因素。同时, 由于R sh的大小与生产工艺的关系 极为密切, 通过测量 R sh可以达到监控生产工艺的目 的, 所以在大面积电池生产中经常检测 R sh是必要 的。 由电池的直流模型方程可以导出一定条件下的 R sh表达式。通过测量电池的 I - V 数据并进行数据 处理, 可以计算出电池的 R sh值。 2　理论分析 2. 1　太阳能电池的直流模型[ 2 ] 太阳能电池的等效电路如图 1 所示, 相应的 I - V 特性方程为 I = IL - I 0 e q (V + IR s) A kT - 1 - V + IR s R sh (1) © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 式中, IL 为光电流, I 0 为暗饱和电流, A 为品质因 子, I 为输出电流,V 为输出电压, R s 为串联电阻。 图 1　太阳能电池等效电路图 F ig. 1　Equ ivalen t circu it of a so lar cell 这个模型称为太阳能电池的直流模型, 可由固 体物理理论推导出来的太阳能电池方程组得到, 并 在方程中增加A , R s, R sh三个参数以改善其精度, 在 太阳能电池的一般工作状态下, 式 (1)能较好地描述 其 I - V 特性。该模型已广泛用于太阳能电池及其 方阵的分析。根据式 (1) , 计算 I - V 特性与R sh的关 系, 结果如图 2 所示。图中示出特性曲线在V →0 附 近的行为与R sh的大小关系极大。 图 2　R sh取不同值时, 太阳能电池的 I - V 特性 F ig. 2　Curren t- vo ltage characterist ics of a so lar cell w ith differen t values of shun t resistances 2. 2　R sh的表达式 首先, 我们研究一下, 在V →0 时, 式 (1) 的渐进 行为。对于硅太阳能电池, 一般满足 ID IL = I 0 e q (V + IR s) A kT - 1 öIL ν 1 R söR sh ν 1 1 ≤A ≤ 2 (2) 根据式 (2) , 不难得到, 在V →0 时, 式 (1) 可写为 I≈ IL - V + IR s R sh , 即 I≈ 1 + R sR sh - 1 IL - V R sh = IL - V R sh 　　　　　　 = I sc - V R sh　　　　　　 (3) 式 (3)表明, V →0 时, I - V 曲线有较好的线性关系。 将式 (3)微分, 得到 d Id V V = 0= - 1 R sh , 即 R sh = d I d V - 1 V = 0 (4) 式 (4)即为R sh的表达式。可见, 只要测量在V →0 附 近的 I - V 曲线的斜率, 就可以得到太阳能电池的 R sh值。 3　R sh的测量方法 在实验测量中, 可在 I - V 曲线的V = 0 处选择 一定的电压范围, 并认为在此范围内 I - V 曲线呈 线性关系来进行测量。由测出的 I - V 数据, 即可求 出斜率, 从而得出电池的 R sh。 为了尽量减少测量过程因偶然因素所造成的偏 差, 可以在选择的电压范围内采用多点测量的方法, 用多组 I - V 数据进行线性回归处理, 得出回归系 数[ 3 ] , 从而得出电池的 R sh值。电压范围的选择 是, 电池的 I - V 曲线在该段近似于线性即可。 4　实例 现以 TDB 100 硅电池为例。该电池以 <100 单晶 硅圆片为主要原, 采用绒面丝网印刷电极及背 场等工艺制作。在测试条件下 (AM 1. 5, 100 mW öcm 2, T = 25 ℃) 随机抽取样片的测试结果为: 开 路 电 压 (V oc)为 0. 607 2 V ; 短 路 电流 ( I sc)为 2. 416 6 A ; 峰值功率 (P m ax ) 为 1. 061 5 W ; 工作电压 (V m )为 0. 504 V ; 工作电流 ( Im ) 为 2. 106 2 A ; 填充 因子 (F F ) 72. 34% ; 转换效率 (Γ)为 13. 6%。 测量 R sh的电压范围选择为 (0～ 0. 144)V , 间距 为 0. 012 V , 共测量 I - V 数据 13 组, 实测值列于表 1。将表 1 中 13 组 I - V 数据进行线形回归处理, 求 出的回归系数为- 0. 289 9, 即可求出R sh值为 3. 449 1 8。假定在此电压范围的 I - V 关系如式 (下转第 262 页) 822 半　导　体　光　电 1998 年 8 月　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 4　结论 根据本文所提供的算法, 可以消除时间平均法 测振时所得到的条纹图中的背景光强。从式 (5)也可 看到, 由于无法消除 co s (