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前言

“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，發(fā)展新能源成為降低碳排放的第一驅(qū)動(dòng)力。以太陽(yáng)能為代表的清潔能源在市場(chǎng)上的占比大幅提升，與之對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池同樣發(fā)展迅速。太陽(yáng)能電池是一種吸收光能產(chǎn)生電能的半導(dǎo)體光電二極管，硅基電池作為第一代太陽(yáng)能電池占據(jù)著市場(chǎng)主導(dǎo)地位；第二代太陽(yáng)能電池為多元化薄膜電池，優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)化效率高、質(zhì)量小、厚度薄，但其研究原料的環(huán)境污染效應(yīng)頗具爭(zhēng)議；如今，以燃料敏化、量子點(diǎn)、鈣鈦礦為代表的第三代太陽(yáng)能電池逐漸進(jìn)入人們視野。

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光伏市場(chǎng)廣闊

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池機(jī)遇蘊(yùn)于其中

目前，全球已有60多個(gè)國(guó)家制定了太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或指導(dǎo)意見；在第28屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP28）上，全球近200個(gè)締約方達(dá)成歷史性協(xié)議，呼吁在2030年前將全球可再生能源產(chǎn)能增加2倍，這對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而言又是一大利好。

作為新一代太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在光伏領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。鈣鈦礦材料具有較高的吸光系數(shù)、可調(diào)節(jié)的帶隙、較高的載流子遷移率、較低的激子結(jié)合能、較長(zhǎng)的載流子傳輸距離等優(yōu)點(diǎn)。相比于晶硅電池，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過多年的發(fā)展，以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從最初的3.8%迅速上升到25.7%，成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的理想光伏電池。

圖：鈣鈦礦電池和單晶硅電池實(shí)驗(yàn)室效率對(duì)比

根據(jù)CPIA預(yù)測(cè)，全球鈣鈦礦電池總產(chǎn)能將從2023年1GW增長(zhǎng)至2030年461GW；2023至2030年的年復(fù)增長(zhǎng)率達(dá)到140.01%。

數(shù)據(jù)來源：觀知海內(nèi)信息網(wǎng)

目前，鈣鈦礦電池正處在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的初期，由于其材料特性的影響，穩(wěn)定性方面還存在技術(shù)難點(diǎn)，和晶硅相比壽命及量產(chǎn)效率還有較大差距。此外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在性能測(cè)試中的遲滯現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響器件效率的測(cè)定，產(chǎn)業(yè)化I-V測(cè)試面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的測(cè)試方案存在明顯局限。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的性能參數(shù)評(píng)價(jià)、精準(zhǔn)的穩(wěn)定性測(cè)試以及符合使用場(chǎng)景的測(cè)試方法將有效的推進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速

測(cè)試技術(shù)壁壘如何攻克？

光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最主要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，常規(guī)測(cè)量效率的方法是基于特定的光譜和測(cè)試環(huán)境下，對(duì)電流-電壓曲線 (I-V曲線) 進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試參數(shù)包括短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)以及填充因子(FF)等。量子效率一般用來表征光電流與入射光的關(guān)系，它不但能反映太陽(yáng)能電池內(nèi)各層材料的質(zhì)量，也能反映減反膜、輻照損傷和各個(gè)界面層的質(zhì)量。

此外，熱斑效應(yīng)和PID效應(yīng)是光伏電站運(yùn)行過程中的多發(fā)問題。熱斑效應(yīng)是指某一太陽(yáng)能電池片由于內(nèi)部缺陷或者外部遮擋，被當(dāng)做負(fù)載消耗其他有光照的電池片所產(chǎn)生的能量，在降低組件輸出功率的同時(shí)，還易使遮擋電池的局部溫度升高而受損。在光伏系統(tǒng)中，一般采用旁路二極管作為熱斑保護(hù)，能夠有效地防止電池片因熱斑效應(yīng)而燒毀，是光伏太陽(yáng)能組件的重要組成部分。因此，旁路二極管的有效運(yùn)行直接影響著光伏電站的發(fā)電量及使用安全，性能測(cè)試十分重要。

圖：旁路二極管并聯(lián)示意圖

PID(Potential induced degradation)效應(yīng)又稱電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，是光伏組件的封裝材料和其上下表面材料、電池片與其接地金屬邊框之間在高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移而形成漏電流，大量Na+電荷聚集在電池片表面，使得電池片表面的鈍化效果惡化，從而導(dǎo)致電池片的填充因子、開路電壓及短路電流降低，電池組件功率衰減，衰減程度可達(dá)50%。

圖：PID效應(yīng)示意圖

因此，如何科學(xué)有效的進(jìn)行旁路二極管電性能測(cè)試以及PID測(cè)試，對(duì)提高光伏組件發(fā)電效率及壽命非常重要。

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基于普賽斯數(shù)字源表的鈣鈦礦

太陽(yáng)能電池性能測(cè)試解決方案

普賽斯儀表致力于數(shù)字源表的研究，并于2019年率先實(shí)現(xiàn)數(shù)字源表的國(guó)產(chǎn)化，陸續(xù)推出了高精度數(shù)字源表、插卡式源表等產(chǎn)品。圍繞鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的測(cè)試需求，聯(lián)合行業(yè)知名廠商為用戶打造科研級(jí)單通道及多通道太陽(yáng)能電池測(cè)試解決方案，具有較好的一致性測(cè)量特性，可精確的輸出和測(cè)量電壓、電流，預(yù)防器件損壞；同時(shí)，極大的縮短測(cè)試時(shí)間、簡(jiǎn)化整體測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有較好的可用性。為光伏器件的研究、質(zhì)檢以及應(yīng)用提供可靠的測(cè)試工具。

單通道I-V測(cè)試方案

單通道I-V測(cè)試系統(tǒng)以普賽斯數(shù)字源表為核心，搭載3A級(jí)太陽(yáng)能模擬光源、夾具、溫度控制器以及專用I-V測(cè)試軟件等組成。可進(jìn)行短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、填充因子(FF)等參數(shù)的測(cè)試。

圖：?jiǎn)瓮ǖ繧-V測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖：I-V測(cè)試曲線圖

多通道輪詢I-V測(cè)試方案

方案采用多通道LED光源、通道切換器以及S系列臺(tái)式源表組成。S源表通過通道切換器輪詢測(cè)試多顆鈣鈦礦電池。多通道LED光源提供模擬光源，配套多通道太陽(yáng)能電池I-V測(cè)試軟件提升測(cè)試效率。

圖：MPPT輪詢老化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

MPPT并行老化測(cè)試方案

采用CS系列插卡式源表(CS1010C + CS系列子卡)組建多通道老化測(cè)試方案，具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強(qiáng)，多設(shè)備組合效率高等特點(diǎn)。每個(gè)通道老化一塊電池，最大可支持40個(gè)通道老化方案。系統(tǒng)主要分為I-V測(cè)試、MPPT追蹤、V-t 測(cè)試和I-t測(cè)試四個(gè)主測(cè)試項(xiàng)目。

圖：MPPT并行老化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

量子效率測(cè)試方案

方案以普賽斯數(shù)字源表為核心，搭配光源系統(tǒng)、光柵掃描單色儀以及樣品測(cè)試暗箱，可進(jìn)行光譜響應(yīng)度、外量子效率、內(nèi)量子效率、發(fā)射率/透射率、短路電流密度等參數(shù)的測(cè)試。

圖：量子效率測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖：量子效率測(cè)試曲線圖

旁路二極管熱性能測(cè)試方案

熱性能測(cè)試旨在確定二極管的溫度特性以及其在連續(xù)工作條件下的最大結(jié)溫，將組件加熱到指定溫度，并施加Isc或者1.25倍的Isc脈沖電流，脈沖寬度不大于1ms，實(shí)時(shí)檢測(cè)旁路二極管的正向電壓。參照IEC 61215-2規(guī)范，采用普賽斯PL系列窄脈沖LIV測(cè)試系統(tǒng)或HCPL100高電流脈沖電源作為脈沖電流源，輸出脈沖電流時(shí)可同步測(cè)量器件電壓，具有源測(cè)精度高達(dá)0.1%、輸出脈沖邊沿陡(最小100ns)、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖：PL系列窄脈沖LIV測(cè)試系統(tǒng)

圖：HCPL100高電流脈沖電源

PID測(cè)試方案

方案采用E系列高電壓源測(cè)單元作為高壓源，給太陽(yáng)能電池組件的電極和金屬邊框施加1000V或1500V高壓，測(cè)兩端之間是否存在漏電流。設(shè)備采用恒壓測(cè)流模式，最大電壓高達(dá)3500V，最小電流低至1nA。

圖：E系列高電壓源測(cè)單元

電池組件測(cè)試方案

鈣鈦礦電池組件通常是通過多塊電池串并聯(lián)形成，擁有更大電流和功率。普賽斯HCP大功率脈沖源表最大電流100A，最高功率支持5000W，能夠滿足大功率的電池組件I-V測(cè)試需求。

圖：HCP系列大電流臺(tái)式脈沖源表

S/P系列精密型數(shù)字源表(SMU)是對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和各種其他器件的進(jìn)行電性能表征的最佳解決方案。其寬廣的電流和電壓測(cè)量范圍，可以為科研及生產(chǎn)制造提供卓越的測(cè)量性能。結(jié)合太陽(yáng)光模擬器以及專用的上位機(jī)軟件，能極大簡(jiǎn)化太陽(yáng)能電池測(cè)試效率,可以更精確、更輕松的表征器件。

審核編輯 黃宇