CN116094461A - 一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及*** - Google Patents

一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及***，应用于光伏组件测试技术领域，方法包括以下步骤：S1、为薄膜光伏组件提供光照和暗态测试环境，S2、分别采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据，S3、将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据，S4、基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。本发明将光伏组件的三个象限IV数据转化为单个器件的JV数据，可以追踪电池长期服役下电池微观载流子主要复合机制的变化，从而进一步理解组件长期效率衰退的器件内部机理，监控组件长期使用性能并为组件生产工艺改进提供基础数据。

Description

一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及***
技术领域
本发明涉及光伏组件测试技术领域，更具体的说是涉及一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及***。
背景技术
一般情况下，光伏组件在出厂时都要进行IV曲线测试，以便确定组件的电性能是否正常和功率大小，IV曲线测试能够测量开路电压、短路电流等参数，可以识别光伏组件/阵列缺陷或遮光等问题，用于积尘损失、温升损失，功率衰减、串并联适配损失的计算，IV测试对光伏电站中光伏组件稳定运行具有重要意义。目前，现有的薄膜组件和薄膜电池器件性能的测试方法，通过开路电压、短路电流进行评价，只能比较宏观地反应组件的电学特性，从整体上评价光伏组件的性能是否存在问题，并不能对组件进行更深层次的性能分析和评价，无法通过现有的IV测试得出组件的性能衰退原因。
因此，如何提供一种能够对光伏组件进行进一步分析、追踪性能变化原因的性能分析方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及***，通过三个象限的IV测试，对光伏组件进行更深层次的性能分析和评价，进一步分析太阳电池器件的微观复合机理。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，包括以下步骤：
S1、为薄膜光伏组件提供光照和暗态测试环境；
S2、分别采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
S3、将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
S4、基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
可选的，S1具体为：
将薄膜光伏组件放置在环境模拟箱中，环境模拟箱内设置氙灯光源，关闭氙灯光源为薄膜光伏组件提供暗态测试环境；打开氙灯光源，为薄膜光伏组件提供光照测试环境；调整氙灯光源的光照强度，为薄膜光伏组件提供不同的光照条件。
可选的，S2的IV数据采集为：
S21、为薄膜光伏组件接入数据采集电路；
S22、对薄膜光伏组件施加反向电压，调节电压值，读取对应的第二象限电流；
S23、对薄膜光伏组件施加正向电压，从正向电压为零开始逐渐增加至正向电压大于组件的开路电压，读取对应的第一象限、第四象限电流。
可选的，S2中的数据采集电路为串-并联型Buck-Boost变换器，串-并联型Buck-Boost变换器的输出端连接薄膜光伏组件，串-并联型Buck-Boost变换器为薄膜光伏组件提供反向电压和正向电压。
可选的，S3具体为：
S31、获取薄膜光伏组件内单个光伏器件的串联和并联关系；
S32、基于薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据计算单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据；
S33、将单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据转换为JV数据。
可选的，S4中通过单个光伏器件的JV数据进行计算，得到薄膜光伏组件的开路电压、短路电流密度、填充因子、效率、串联电阻、分流电阻，单个光伏器件的二极管理想因子。
本发明还公开了一种薄膜光伏组件的器件性能分析***，包括：环境模拟模块、数据采集模块、数据处理模块、性能分析模块；
环境模拟模块，与数据采集模块连接，用于为薄膜光伏组件提供光照和暗态两种测试环境；
数据采集模块，与数据处理模块连接，用于采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
数据处理模块，与性能分析模块连接，用于将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
性能分析模块，用于基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法及***，具有以下有益效果：将光伏组件的三个象限IV数据转化为单个器件的JV数据，可以追踪电池长期服役下电池微观载流子主要复合机制的变化，从而进一步理解组件长期效率衰退的器件内部机理，监控组件长期使用性能并为组件生产工艺改进提供基础数据；数据采集电路选择串并联型Buck-Boost变换器，能够保证输出电压的调节精度，具有比较好的动态特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的性能评价方法流程图；
图2为本发明实施例中薄膜光伏组件的IV曲线图；
图3为本发明的数据采集电路拓扑结构图；
图4为本发明实施例中单个光伏器件的JV曲线图；
图5为本发明实施例中数据计算结果图，其中，5.1为单个光伏器件在光照和暗态下的JV曲线图，5.2为单个光伏器件的g(V)曲线图，5.3为单个光伏器件的r(J)曲线图，5.4为单个光伏器件的二极管曲线图；
图6为本发明的性能评价***原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、为薄膜光伏组件提供光照和暗态测试环境；
S2、分别采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
S3、将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
S4、基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
其中，IV数据为电流和电压数据，JV数据为电流密度和电压数据。
进一步的，S1具体为：
将薄膜光伏组件放置在环境模拟箱中，环境模拟箱内设置氙灯光源，关闭氙灯光源为薄膜光伏组件提供暗态测试环境；打开氙灯光源，为薄膜光伏组件提供光照测试环境；调整氙灯光源的光照强度，为薄膜光伏组件提供不同的光照条件。
更进一步的，环境模拟箱中的温度固定为66.5℃。
进一步的，S2的IV数据采集为：
S21、为薄膜光伏组件接入数据采集电路；
S22、对薄膜光伏组件施加反向电压，调节电压值，读取对应的第二象限电流；
S23、对薄膜光伏组件施加正向电压，从正向电压为零开始逐渐增加至正向电压大于组件的开路电压，读取对应的第一象限、第四象限电流。
更进一步的，薄膜光伏组件的IV数据测试结果如图2所示，分别在G为960W/m2、820W/m2、650W/m2、0W/m2时测试薄膜光伏组件的IV数据。
进一步的，S2中的数据采集电路为串-并联型Buck-Boost变换器，其电路拓扑图如图3所示，串-并联型Buck-Boost变换器的输出端连接薄膜光伏组件，串-并联型Buck-Boost变换器为薄膜光伏组件提供反向电压和正向电压。
更进一步的，变换器输入为其他薄膜光伏组件或者蓄电池，输出接入被测薄膜光伏组件，在一象限数据的测试中，被测薄膜光伏组件处于发电状态，当给被测薄膜光伏组件加入正偏压的同时，被测薄膜光伏组件产生的能量进行回送。为实现变换器输出电压能够稳定、连续平滑可调，在变换器输出端加入一个模拟负载。当被测组件进行能量回送时，在保证变换器电压的稳定输出的同时，回送能量要消耗在模拟负载中。变换器主电路由3个MOSFET(S1、S2、S3)、3个快速恢复二极管(D1、D2、D3)、两个储能元件(L1、L2)以及两个输出电容(C1、C2)构成。
进一步的，S3具体为：
S31、获取薄膜光伏组件内单个光伏器件的串联和并联关系；
S32、基于薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据计算单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据；
S33、将单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据转换为JV数据。
更进一步的，薄膜光伏组件由若干个光伏器件经过串、并联方式组成，根据光伏器件的串、并联方式，分别计算单个光伏器件的电压和电流数据，从而将薄膜光伏组件的IV数据转化为单个光伏器件的JV数据，其转换结果如图4所示。
进一步的，S4中通过单个光伏器件的JV数据进行计算，得到薄膜光伏组件的开路电压、短路电流密度、填充因子、效率、串联电阻、分流电阻，单个光伏器件的二极管理想因子。
更进一步的，将单个光伏组件的JV数据输入至分析软件中，以G＝820W/m2作为光照环境，G＝0W/m2作为暗态环境为例，计算结果如图5所示。
图5.1为单个光伏器件在光照和暗态下的JV曲线图，由光照光照JV曲线与电压V的截距可以得到在G＝820W/m2的光照条件下，薄膜光伏组件中单个光伏器件的开路电压VOC＝763mV，短路电流密度JSC＝19.39mA/cm2，填充因子FF＝64.41％，效率η＝10.32％。在暗态下的JV曲线斜率低于光照JV曲线，光暗JV曲线存在交叉点，说明薄膜光伏器件内部存在带电复合中心，使得高正向偏置下薄膜光伏组件的光电导高于暗电导。根据图5.2与图5.3可以得到光照下薄膜光伏组件的串联电阻Rs＝3.24Ω·cm2，分流电阻Rsh＝2310.81Ω·cm2，串联电阻Rs低于5Ω·cm2属于正常范围，分流电阻Rsh数值高于10001Ω·cm2，说明薄膜光伏组件中基本不存在弱二极管导电通路，因此不会成为组件发电的内损而导致输出功率下降。通过监控薄膜光伏组件的三个象限JV曲线，可以得到开路电压VOC、短路电流密度JSC、填充因子FF、效率η、串联电阻Rs、分流电阻Rsh，实时得到器件的工作性能。
如图5.4所示，通过JV曲线将电流密度以对数坐标对偏压作图，可以由斜率计算得到单个光伏器件的二极管理想因子A，在本实施例中A＝2.33。对于理想的pn结，A＝1，此时器件的pn结耗尽区不存在复合；当1<A<2时，仅在耗尽区外的扩散区存在复合中心；当1<A<2且A趋近2时，耗尽区的复合占主导，pn结的耗尽区内存在大量的复合中心，电池的结区品质开始变差；当A>2时，说明除了耗尽区复合之外，器件中还存在器件的界面复合、隧穿层复合也开始参与复合，说在器件的各界面也存在高缺陷密度复合区域。图5的分析说明本实施例中薄膜光伏组件的性能已经出现了性能衰退。
与图1所述的方法相对应，本发明实施例还提供了一种薄膜光伏组件的器件性能分析***，用于对图1中方法的具体实现，其原理图如图6所示，包括：环境模拟模块、数据采集模块、数据处理模块、性能分析模块；
环境模拟模块，与数据采集模块连接，用于为薄膜光伏组件提供光照和暗态两种测试环境；
数据采集模块，与数据处理模块连接，用于采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
数据处理模块，与性能分析模块连接，用于将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
性能分析模块，用于基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、为薄膜光伏组件提供光照和暗态测试环境；
S2、分别采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
S3、将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
S4、基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，S1具体为：
将薄膜光伏组件放置在环境模拟箱中，环境模拟箱内设置氙灯光源，关闭氙灯光源为薄膜光伏组件提供暗态测试环境；打开氙灯光源，为薄膜光伏组件提供光照测试环境；调整氙灯光源的光照强度，为薄膜光伏组件提供不同的光照条件。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，S2的IV数据采集为：
S21、为薄膜光伏组件接入数据采集电路；
S22、对薄膜光伏组件施加反向电压，调节电压值，读取对应的第二象限电流；
S23、对薄膜光伏组件施加正向电压，从正向电压为零开始逐渐增加至正向电压大于组件的开路电压，读取对应的第一象限、第四象限电流。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，S2中的数据采集电路为串-并联型Buck-Boost变换器，串-并联型Buck-Boost变换器的输出端连接薄膜光伏组件，串-并联型Buck-Boost变换器为薄膜光伏组件提供反向电压和正向电压。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，S3具体为：
S31、获取薄膜光伏组件内单个光伏器件的串联和并联关系；
S32、基于薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据计算单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据；
S33、将单个光伏器件在光照和暗态下的IV数据转换为JV数据。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，S4中通过单个光伏器件的JV数据进行计算，得到薄膜光伏组件的开路电压、短路电流密度、填充因子、效率、串联电阻、分流电阻，单个光伏器件的二极管理想因子。
7.一种薄膜光伏组件的器件性能分析***，应用权利要求1-6任一项所述的薄膜光伏组件的器件性能分析方法，其特征在于，包括：环境模拟模块、数据采集模块、数据处理模块、性能分析模块；
环境模拟模块，与数据采集模块连接，用于为薄膜光伏组件提供光照和暗态两种测试环境；
数据采集模块，与数据处理模块连接，用于采集薄膜光伏组件在光照和暗态下的IV数据；
数据处理模块，与性能分析模块连接，用于将薄膜光伏组件的IV数据转换为单个光伏器件的JV数据；
性能分析模块，用于基于单个光伏器件的JV数据分析薄膜光伏组件的性能。
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