概述：

光伏电池工作原理

光伏电池市场竞争态势

光伏电池评测方法

产品示例介绍

中国对太阳能光伏电池的研究

概述：

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。

按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。

光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。

组件的安装架设十分方便。组件的背面安装有一个防水接线盒，通过它可以十分方便地与外电路连接。对每一块太阳电池组件，都保证20年以上的使用寿命。

光伏电池工作原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

实现过程：

房顶的太阳能板将阳光转换为DC电流。不间断电源(UPS)将该DC能源转换为AC 220V/50Hz。

这个电能可以完全用于当地的设备，也可以部分使用，剩余的电能卖给公用事业机构，或全部卖出。

强烈建议应防止这一昂贵的设施遭受雷击。

光伏电池市场竞争态势

第一代晶硅太阳能电池，主流市场转换效率约为18%，由于发展早，产业链上各企业生产技术较为成熟，占应用市场约80%的份额；

第二代薄膜太阳能电池，已经产业化的主要有薄膜硅电池、CIGS电池和CdTe电池等，占应用市场约19%的份额，由于生产成本较低，预计到2015年市场占有率将超过20%；

第三代太阳能电池主要包括聚光和有机太阳能电池等。聚光光伏组件最高转换效率达到40%，但由于技术尚不成熟，目前聚光光伏电池占应用市场约1%得市场份额。

光伏电池评测方法

一、等效电路模型

PV电池[5]的等效电路模型（如图1所示）能够帮助我们深入了解这种器件的工作原理。理想PV电池的模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管。光源中的光子被太阳能电池材料吸收。如果光子的能量高于电池材料的能带，那么电子就被激发到导带中。如果将一个外部负载连接到PV电池的输出端，那么就会产生电流。

图1. 由一个串联电阻（RS）和一个分流电阻（rsh）和一个光驱电流源构成的光伏电池等效电路。

由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在材料缺陷和欧姆损耗，PV电池模型必须分别用串联电阻（RS）和分流电阻（rsh）表示这些损耗。串联电阻是一个关键参数，因为它限制了PV电池的最大可用功率（PMAX）和短路电流（ISC）。

PV电池的串联电阻（rs）与电池上的金属触点电阻、电池前表面的欧姆损耗、杂质浓度和结深有关。在理想情况下，串联电阻应该为零。分流电阻表示由于沿电池边缘的表面漏流[6]或晶格缺陷造成的损耗。在理想情况下，分流电阻应该为无穷大。

要提取光伏电池的重要测试参数，需要进行各种电气测量[7]工作。这些测量通常包含直流电流和电压、电容以及脉冲I-V[8]。

二、PV电池的直流电流-电压（I-V）测量

可以利用直流I-V[9]曲线图对PV电池进行评测，I-V图通常表示太阳能电池产生的电流与电压的函数关系（如图2所示）。电池能够产生的最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和电压（VMAX）点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。我们可以利用基本的测量工具（例如安培计和电压源），或者集成了电源和测量功能的仪器（例如数字源表[10]或者源测量单元SMU[11]），生成这种I-V曲线图[12]。为了适应这类应用的需求，测试设备必须能够在PV电池测量可用的量程范围内提供电压源并吸收电流，同时，提供分析功能以准确测量电流和电压。简化的测量配置如图3所示。

图2. 该曲线给出了PV电池的典型正偏特性，其中最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和最大电压（VMAX）的交叉点。

图3. 对太阳能电池进行I-V曲线测量的典型系统，由一个电流源和一个伏特计组成。

测量系统应该支持四线测量[13]模式。采用四线测量技术能够解决引线电阻影响测量精度的问题。例如，可以用其中一对测试引线提供电压源，用另一对引线测量流过电池的电流。重要的是要把测试引线放在距离电池尽可能近一些的地方。

图4给出了利用SMU测出的一种被照射的硅太阳能电池的真实直流I-V曲线。由于SMU能够吸收电流，因此该曲线通过第四象限，并且支持器件析出功率。

图4. 正偏（被照射的）PV电池的这种典型I-V曲线表示输出电流随电压升高而快速上升的情形。

三、总体效率的测量参数

其它一些可以从PV电池直流I-V曲线中得出的数据表征了它的总体效率——将光能转换为电能的好快程度——可以用一些参数来定义，包括它的能量转换效率、最大功率性能和填充因数。最大功率点是最大电池电流和电压的乘积，这个位置的电池输出功率是最大的。

填充因数[14]（FF）是将PV电池的I-V特性与理想电池I-V特性进行比较的一种方式。理想情况下，它应该等于1，但在实际的PV电池中，它一般是小于1的。它实际上等于太阳能电池产生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想PV电池产生的功率。填充因数定义如下：

FF = IMAXVMAX/(ISCVOC)

其中IMAX=最大输出功率时的电流，VMAX =最大输出功率时的电压，ISC =短路电流，VOC=开路电压。

转换效率（h）是光伏电池最大输出功率（PMAX）与输入功率（PIN）的比值，即：

h = PMAX/PIN

PV电池的I-V测量[15]可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）两种情况下进行。正偏测量[16]是在PV电池照明受控的情况下进行的，光照能量表示电池的输入功率。用一段加载电压扫描电池，并测量电池产生的电流。一般情况下，加载到PV电池上的电压可以从0V到该电池的开路电压（VOC）进行扫描。在0V下，电流应该等于短路电流（ISC）。当电压为VOC时，电流应该为零。在如图1所示的模型中，ISC近似等于负载电流（IL）。

PV电池的串联电阻（rs）可以从至少两条在不同光强下测量的正偏I-V曲线中得出。光强的大小并不重要，因为它是电压变化与电流变化的比值，即曲线的斜率，就一切情况而论这才是有意义的。记住，曲线的斜率从开始到最后变化很大，我们所关心的数据出现在曲线的远正偏区域（far-forward region），这时曲线开始表现出线性特征。在这一点，电流变化的倒数与电压的函数关系就得出串联电阻的值：

rs = ΔV/ΔI

到目前为止本文所讨论的测量都是对暴露在发光输出功率下，即处于正偏条件下的PV电池进行的测量。但是PV器件的某些特征，例如分流电阻（rsh）和漏电流，恰恰是在PV电池避光即工作在反偏情况下得到的。对于这些I-V曲线，测量是在暗室中进行的，从起始电压为0V到PV电池开始击穿的点，测量输出电流并绘制其与加载电压的关系曲线。利用PV电池反偏I-V曲线的斜率也可以得到分流电阻的大小（如图5所示）。从该曲线的线性区，可以按下列公式计算出分流电阻：

rsh = ΔV Reverse Bias/ΔI Reverse Bias

图5. 利用PV电池反偏I-V曲线的斜率可以得到PV电池的分流电阻。

除了在没有任何光源的情况下进行这些测量之外，我们还应该对PV电池进行正确地屏蔽，并在测试配置中使用低噪声线缆。

四、电容测量

与I-V测量类似，电容测量[17]也用于太阳能电池的特征分析。根据所需测量的电池参数，我们可以测出电容与直流电压、频率、时间或交流电压的关系。例如，测量PV电池的电容与电压的关系有助于我们研究电池的掺杂浓度或者半导体结的内建电压。电容-频率扫描则能够为我们寻找PV衬底耗尽区中的电荷陷阱提供信息。电池的电容与器件的面积直接相关，因此对测量而言具有较大面积的器件将具有较大的电容。

C-V测量测得的是待测电池的电容与所加载的直流电压的函数关系。与I-V测量一样，电容测量也采用四线技术以补偿引线电阻[18]。电池必须保持四线连接。测试配置应该包含带屏蔽的同轴线缆，其屏蔽层连接要尽可能靠近PV电池以最大限度减少线缆的误差。基于开路和短路测量的校正技术能够减少线缆电容对测量精度的影响。C-V测量可以在正偏也可以在反偏[19]情况下进行。反偏情况下电容与扫描电压的典型曲线（如图6所示）表明在向击穿电压扫描时电容会迅速增大。

图6. PV电池电容与电压关系的典型曲线。

另外一种基于电容的测量是激励电平电容压型（DLCP），可在某些薄膜太阳能电池（例如CIGS）上用于判断PV电池缺陷密度与深度的关系。这种测量要加载一个扫描峰-峰交流电压并改变直流电压，同时进行电容测量[20]。必须调整这两种电压使得即使在扫描交流电压时也保持总加载电压（交流+直流）不变。通过这种方式，材料内部一定区域中暴露的电荷密度将保持不变，我们就可以得到缺陷密度与距离的函数关系。

五、电阻率与霍尔电压[21]的测量

PV电池材料的电阻率可以采用四针探测的方式，通过加载电流源并测量电压进行测量，其中可以采用四点共线探测技术或者范德堡方法。

在使用四点共线探测技术[22]进行测量时，其中两个探针用于连接电流源，另两个探针用于测量光伏材料上电压降。在已知PV材料厚度的情况下，体积电阻率（ρ）可以根据下列公式计算得到：

ρ = (π/ln2)(V/I)(tk)

其中，ρ =体积电阻率，单位是Ωcm，V=测得的电压，单位是V，I=源电流，单位是A，t=样本厚度，单位是cm，k=校正系数，取决于探针与晶圆直径的比例以及晶圆厚度与探针间距的比例。

六、范德堡电阻率测量方法

测量PV材料电阻率的另外一种技术是范德堡方法[23]。这种方法利用平板四周四个小触点加载电流并测量产生的电压，待测平板可以是厚度均匀任意形状的PV材料样本。

范德堡电阻率测量方法需要测量8个电压。测量V1到 V8是围绕材料样本的四周进行的，如图7所示。

图7. 范德堡电阻率常用测量方法

按照下列公式可以利用上述8个测量结果计算出两个电阻率的值：

ρA = (π/ln2)(fAts)[(V1 – V2 +V3 – V4)/4I]

ρB = (π/ln2)(fBts)[(V5 – V6 +V7 – V8)/4I]

其中，ρA和 ρB分别是两个体积电阻率的值，ts =样本厚度，单位是cm，V1 – V8是测得的电压，单位是V，I=流过光伏材料[24]样品的电流，单位是A，fA和 fB是基于样本对称性的几何系数，它们与两个电阻比值QA和 QB相关，如下所示：

QA = (V1 – V2)/(V3 – V4)

QB = (V5 – V6)/(V7 – V8)

当已知ρA和 ρB的值时，可以根据下列公式计算出平均电阻率（ρAVG）：

ρAVG = (ρA + ρB)/2

高电阻率测量中的误差[25]可能来源于多个方面，包括静电干扰[26]、漏电流、温度和载流子注入。当把某个带电的物理拿到样本附近时就会产生静电干扰。要想最大限度减少这些影响，应该对样本进行适当的屏蔽以避免外部电荷。这种屏蔽可以采用导电材料制作，应该通过将屏蔽层连接到测量仪器的低电势端进行正确的接地。电压测量中还应该使用低噪声屏蔽线缆。漏电流会影响高电阻样本的测量精度。漏电流来源于线缆、探针和测试夹具，通过使用高质量绝缘体，最大限度降低湿度，启用防护式测量，包括使用三轴线缆等方式可以尽量减少漏电流。

七、脉冲式I-V测量

除了直流I-V和电容测量，脉冲式I-V测量也可用于得出太阳能电池的某些参数。特别是，脉冲式I-V[27]测量在判断转换效率、最短载流子寿命和电池电容的影响时一直非常有用。

本文详细介绍的这些PV测量操作都可以利用针对半导体评测设计的自动化测试系统快速而简便地实现，例如来自吉时利仪器公司的4200-SCS半导体特征分析系统。该系统能够采用四针探测方式提供并吸收电流，并支持软件控制的电流、电压和电容测量。该系统可以配置各种源和测量模块，进行连续式的和脉冲式的I-V与C-V测量，得到一些重要的PV电池参数。例如，该系统可以利用4225-PMU[28]模块连接到PV电池上进行脉冲式I-V扫描（如图8所示）。除了提供脉冲电压源，该PMU还能够吸收电流，从而测出太阳能电池的输出电流，如图9所示。4200-SCS[29]系统支持各种硬件模块和软件测量函数库。

图8. 4225-PMU模块可用于PV电池的脉冲式I-V测量

图9. 硅PV电池脉冲式I-V测量的绘图表示曲线

产品示例介绍

施耐德PRD-DC 浪涌保护装置：光伏电池应用

主要特性

Imax: 40KA

Un: 600V DC and 1000V DC

3 个端子 : L+, L-, PE

产品范围：

SPD

16 434 PRD40r 600DC – 家居市场

16 436 PRD40r 1000DC – 光伏发电厂

盒座 (SPD AC产品)

用于PRD40r 600DC的16 685 抽取式盒座 C 40-340

用于PRD40r 600DC的16 691 抽取式盒座 C 中性

用于PRD40r 1000DC的16 684 抽取式盒座 C 40-460

优势

简化选择：用2个产品作优化

包括远程报警触点的全部产品

在盒座寿命终止时的总体安全性

在毁坏前，热断路器会打开

应用范围

OEM在可立即安装的包装内

专用安装器

中国对太阳能光伏电池的研究

中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。

目前，中国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2006年全国太阳能电池的产量为438MW，2007年全国太阳能电池产量为1188MW。中国已经成超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。

近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07%增长到2008年的近15%。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13%-14%提高到16%-17%。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。