用于电表征被切割的光伏电池的方法与流程

1.本发明涉及对通过切割光伏电池获得的光伏子电池的电性能进行电表征和测量的领域。


背景技术：

2.与用整个光伏电池(即未切割的电池)制成的光伏模块相比，光伏子电池(即被切割出的光伏电池)的使用使得能够提高包括光伏子电池的光伏模块的电性能。事实上，与由相同的未切割的电池产生的电流相比，将光伏电池切割成几个子电池使得对于相同的光接收表面积能够减少子电池产生的电流。这种较低的电流导致光伏模块中使用的互连条的电阻损失较低，因此提高了光伏模块的电转换性能。
3.另一方面，切割光伏电池使子电池在切割线处形成边缘，边缘不受存在于初始光伏电池上的钝化层的保护。切割还会损坏位于切割线附近的半导体和/或将杂质引入半导体中(例如在激光切割时就是这种情况)。这些缺陷导致在这些切割区中产生的少数电荷载流子的寿命的局部损失，导致在子电池运行点附近的电流和电压损失。在切割异质结(het)电池时，这种效应尤其明显，异质结电池本质上具有非常少的表面钝化缺陷，并且在异质结电池中少数局部缺陷的形成足以显著降低电池的整体电性能。
4.通常，为了量化光伏电池的性能并对其进行分类，在生产线结束时对其进行电表征。分类步骤使得能够创建具有相似电性能的几个类别的电池。这些类别然后使得能够产生具有相似或接近性能的光伏模块，并且避免光伏模块处的功率损失，功率损失是由于在同一模块中使用的光伏电池的电特性之间的显著差异引起的。事实上，如果同一模块中的电池具有不同的性能，则单独的性能差的电池会降低性能好的电池的运行。当光伏模块中的所有电池具有相同或接近的电性能时，这种类型的问题得以避免。
5.这也适用于由光伏子电池制成的光伏模块。光伏子电池被单独表征以形成几个类别的子电池，并用相同类别的子电池制成光伏模块。
6.具有相同理论电性能的光伏电池实际上不具有均匀的空间分布。因此，相同类别的光伏电池之间可能存在潜在的差异。因为每个光伏电池不是完全均匀的，所以切割步骤造成所得到的子电池的电特性的额外的差异，具有不同性能的相同电池的各部分被物理分开以形成不同的子电池。这种额外的差异因此被添加到不同的整体的、未切割的电池之间已经存在的差异中。
7.单独测量光伏子电池的电特性使得子电池的电性能能够被单独量化并分类。另一方面，单独测量子电池的电特性不能量化并区分与电池切割相关的两种效应，即与每个光伏电池内电性能的不均匀性相关的额外的差异，以及由于由电池切割方法引起的电池退化而导致的损失。


技术实现要素：

8.本发明的一个目的是提供一种用于精确量化切割对光伏电池的电性能的影响的
方法，即，量化与光伏电池内的电性能的不均匀性相关的额外的差异，并测量由于由切割方法产生的光伏电池的退化而导致的性能损失，并且还用于正确区分由于将光伏电池切割成几个光伏子电池而产生的这两种效应。
9.为此，提供了一种用于电表征至少一个被切割的光伏电池的方法，所述方法包括：
10.a)测量未切割的光伏电池的电流-电压特性；
11.b)将光伏电池切割成几个光伏子电池；以及
12.c)测量未电连接到其他光伏子电池的光伏子电池中的每一者的电流-电压特性；
13.d)测量包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件的电流-电压特性；
14.e)根据所测量的电流-电压特性，确定未切割的光伏电池的至少一个电性能参数、光伏子电池中的每一者的至少一个电性能参数、以及包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件的至少一个电性能参数；
15.f)对于光伏子电池中的每一者，计算光伏子电池的电性能参数的值与未切割的光伏电池的电性能参数的值之间的差值；
16.g)计算包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件的电性能参数的值与未切割的光伏电池的电性能参数的值之间的差值。
17.步骤a)使得能够在切割之前量化整个光伏电池的初始性能。步骤c)使得能够单独量化切割出的子电池的电性能。在步骤d)中，量化了具有重新连接的子电池的组件的电性能。
18.电流-电压特性在未切割的光伏电池、光伏子电池中的每一者以及包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件的输出端子处进行测量。在电流-电压特性测量期间，在输出端子处测量电流，并且电荷在对其电流-电压特性进行测量的元件两侧变化。
19.在步骤d)中执行的测量使得能够测量由彼此并联电连接的所有光伏子电池形成的组件的电流-电压特性，其中光伏子电池以与光伏电池未切割时相同的方式受到限制。因此，通过执行步骤g)中的计算，这个测量能够直接得到由于由切割方法引起的光伏电池的退化而导致的性能损失。
20.在步骤c)中执行的测量使得能够突出子电池的电性能的差异，然后评估它们单独的电性能，如果仅执行步骤d)则无法得到上述结果。在步骤f)中执行的计算使得能够精确量化与光伏电池内的电性能的不均匀性相关的额外的差异。
21.由于由切割方法引起的电池的退化而导致的性能损失的测量直接代表了所实施的切割方法的质量。因此，可以实施这个方法来确保对包括将光伏电池切割成光伏子电池的生产线上切割质量的连续监控，而不降低生产线的产量。
22.这种方法的优点还在于，它可以用测量所需的最少的电子设备来实施，并且使用现有的电流-电压特性测量设备而进行最少的修改。
23.在步骤f)中，每个光伏子电池的电性能参数和用于计算的未切割的光伏电池的电性能参数具有相同的性质(电流、电压、功率等)。
24.在步骤g)中，包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件的电性能参数和用于计算的未切割的光伏电池的电性能参数具有相同的性质。
25.在步骤f)和g)中，考虑了计算的差值的绝对值，以量化切割对电池的电性能的影响。
26.步骤f)中用于计算的电性能参数可以与步骤g)中用于计算的电性能参数具有相同的性质。
27.有利地，步骤f)和g)中用于计算的电性能参数可以对应于开路电压。通过选择开路电压作为电性能参数，可以具有非常能代表由切割方法产生的性能损失和与光伏电池内的电性能的不均匀性相关的额外的差异的参数。
28.通常，电性能参数可以对应于以下参数中的一者或多者：短路电流i
sc
或短路电流密度j
sc
、开路电压v
oc
、形状因子ff、最大电流i
max
、最大电压v
max
、最大功率p
max
、转换效率η、双面转换效率(其中考虑了在两个面上产生的功率)。还可以考虑反映切割光伏电池之前和之后两面上的性能的过程的电性能参数。
29.步骤a)、c)和d)可以通过至少以下装置/元件实施：
[0030]-电压和电流测量装置；
[0031]-相对于存在于光伏电池的正面和背面处的金属化部设置的接触元件，接触元件中的每一者都包括彼此电绝缘并配置成各自连接到电压和电流测量装置的几个部分。
[0032]
因此，相同的接触元件可以用于所述方法中电流-电压特性的所有测量。
[0033]
在步骤a)和d)期间，对于接触元件中的至少一者，开关可以配置成电连接所述接触元件的部分，并且在步骤c)期间，开关可以配置成电绝缘所述接触元件的部分。
[0034]
开关可以对应于功率晶体管和/或设置在接触元件内。
[0035]
接触元件可以包括梳状物，每个梳状物设有几组尖端，在每一组尖端中具有用于测量电压的尖端和用于测量电流的尖端，并且接触元件之一的每个部分都可以包括成组的尖端中的至少一者。
[0036]
在步骤a)、c)和d)期间，梳状物的尖端可以与存在于光伏电池的正面和/或背面处的汇流条(也称为集流条)类型的金属化部接触。
[0037]
可替代地，接触元件可以包括与至少存在于光伏电池的正面处的金属化部接触的导线。这样的接触元件适用于不包括汇流条的光伏电池。
[0038]
接触元件还可以包括与存在于光伏电池的背面上的金属化部接触的至少一个导电元件，其中导电元件可以包括在步骤c)期间彼此电绝缘的几个部分。
[0039]
步骤a)、c)和d)可以通过用相同的光谱、用相同的光功率并以相同的温度照射光伏电池来实施。
[0040]
步骤b)可以包括实施激光切割、和/或机械劈开(clivage)、和/或用锯或金刚石线切割、和/或水射流切割。
[0041]
有利的是，在步骤c)期间，可以同时并行测量光伏子电池的电流-电压特性。当在光伏模块生产线上实施这个方法时，使得生产线的产量不会降低。在这种情况下，实施这个步骤c)可能需要几个测量装置。可替代地，可以连续表征子电池中的每一者，也就是说，一个接一个地连续测量光伏子电池的电流-电压特性。
[0042]
对于所执行的每个测量，测量设备可以是相同的，或者可以有几个测量设备，每个测量设备专用于测量步骤中的一者或多者。
[0043]
可替代地，在步骤c)期间，光伏子电池的电流-电压特性可以由同一电压和电流测量装置连续测量，测量结果在测量装置的输出处被时分复用。
附图说明
[0044]
参考附图，在阅读通过单纯为了说明而决非限制目的给出的示例性实施例的描述时将更好地理解本发明，其中：
[0045]-图1以流程图的形式示出本发明的一种用于电表征被切割的光伏电池的方法；
[0046]-图2至图7示意性地示出在实施本发明的用于电表征光伏电池的方法的不同步骤期间的光伏电池。
[0047]
下面描述的各个附图的相同、相似或等效部分具有相同的附图标记，以便于从一个附图切换到另一个附图。
[0048]
为了使附图更清晰，附图中所示的各个部分不一定按统一的比例绘制。
[0049]
各种可能性(替代方案和实施例)应该理解为不是相互排斥的，并且可以相互组合。
具体实施方式
[0050]
下面结合图1至图7描述能够量化切割对光伏电池102的电性能的影响的一种用于电表征被切割的光伏电池102的方法。图1以流程图的形式示出了所实施的方法步骤。
[0051]
电池102(如图2所示)对应于例如het电池。可替代地，电池102可以为钙钛矿、钙钛矿串联式het、al-bsf(铝背表面场)、perc(钝化发射极和背面接触)、pert(钝化发射极和背面全扩散)、同质结、iii-v族材料、钝化接触电池、或适于切割成几个子电池的任何其他类型的光伏电池。电池102可以具有任何尺寸和形状，例如正方形或伪正方形。
[0052]
电池102包括正面104和背面106。电池102包括存在于这些面104、106中每一者上的金属化部。在图2所示的示例中，存在于电池102的正面104上的金属化部对应于收集指状物(图2中未示出)，汇流条108设置在收集指状物上，汇流条108使得能够收集由电池102产生并且在收集指状物中流动的电流。
[0053]
在图2中可见的示例中，电池102包括设置在正面104上的三个汇流条108。可替代地，电池102可以包括存在于正面104上的不同数量的汇流条108。
[0054]
电池102在其背面106处还包括覆盖例如整个背面106的金属化部109。
[0055]
根据替代方案，电池102可以在其背面106处包括例如类似于正面104上存在的汇流条108的收集指状物和汇流条，来替代这个金属化部109。
[0056]
根据另一替代方案，电池102可以在正面104和/或背面106处包括不同于上述的那些金属化部的金属化部。
[0057]
在方法的第一步骤10期间，实施了对未切割的电池102的电流-电压特性的测量。这个测量例如在标准测试条件或stc下进行，即，通过在25℃的温度下使用发射具有标准化光谱(诸如1000w/m2的am1.5的太阳光谱)的光的太阳模拟器照射电池102。
[0058]
这种电流-电压特性测量通过使用以下装置/元件实施：
[0059]-电压和电流测量装置110，
[0060]-接触元件112，接触元件112例如为梳状或栅格型，并且例如设有几组尖端，使得能够沿着汇流条108中的每一者进行4尖端类型的测量，以及
[0061]-相对于背面金属化部109设置的接触元件124。
[0062]
接触元件112和124电连接到电压和电流测量装置110的输入端。
[0063]
当测量电池102的电流-电压特性时，接触元件112与汇流条108接触，并且接触元件124与金属化部109接触。
[0064]
在测量电池102的电流-电压特性期间，针对电池102两端的不同电压值，测量电池102产生的电流。测量的电流-电压特性对应于表示由电池102输送的电流随电池102两端电压值而变化的曲线。
[0065]
图3示出在测量电池102的电流-电压特性时，当与存在于电池102的正面上的汇流条108之一接触时的接触元件112之一的示例性实施例和电池102的示意性横截面视图。
[0066]
在这里描述的示例中，接触元件112对应于导电梳状物113，导电梳状物113设有几组接触尖端115，接触尖端115在测量电池102的电流-电压特性时与电池102的汇流条108物理接触。在同一组接触尖端115内，用于电流测量的接触元件112的尖端115所连接的导线与用于电压测量的接触元件112的尖端115所连接的导线电绝缘。在图3中，两个箭头代表两组接触尖端115。
[0067]
在每个接触元件112内，用于电压测量的尖端115通过第一电连接部114彼此电连接，第一电连接部114也用于将电压测量尖端连接到电压和电流测量装置110。用于电流测量的尖端115通过第二电连接部116彼此电连接，第二电连接部116也用于将电流测量尖端连接到电压和电流测量装置110。第一电连接部114不同于第二电连接部116，并且第一电连接部114没有电连接到第二电连接部116。
[0068]
有利的是，为了使接触元件112既可以用于测量未切割的电池102的电流-电压特性，也可用于测量随后将通过切割电池102获得的子电池中的每一者的电流-电压特性，接触元件112中的每一者都包括彼此电绝缘并配置成每一者都电连接到电压和电流测量装置110的几个部分。
[0069]
在每个接触元件112中，为了能够将这些部分彼此电连接或电绝缘，每个接触元件112的第一电连接部114包括一个或多个开关118，开关118在闭合状态下能够使得用于电压测量的接触元件112的所有尖端115彼此电连接。同样地，每个接触元件112的第二电连接部116包括一个或多个开关119，开关119在闭合状态下能够使得用于电流测量的接触元件112的所有尖端115彼此电连接。例如，开关118、119对应于功率晶体管。
[0070]
根据在方法的下一步骤期间独立表征的子电池数量来选择存在于每个接触元件112中的开关118和119的数量。
[0071]
可替代地，开关118、119可以不包括在接触元件112中，而是设置在接触元件112的外侧，例如在接触元件112外部的连接装置内。在这种情况下，第一和第二电连接部114、116不直接连接到测量装置110，而是连接到连接装置，连接装置本身连接到测量装置110。
[0072]
因为在这个第一步骤10期间，测量的电流-电压特性是整个(即未切割的)电池102的特性，所以开关118和119处于闭合状态，使得在接触元件112的每一者中，所有的电压测量尖端115彼此电连接，以便仅形成测量在每个汇流条108的整个长度上获得的电压的单个电压测量电路，并且所有的电流测量尖端115电连接，以便形成测量在每个汇流条108的整个长度上输送的电流的单个电流测量电路。
[0073]
在方法的第二步骤20期间，电池102被切割成几个子电池120。图4示意性地示出作为切割电池102的结果获得的多个子电池120.1-120.n。优选地，子电池120具有彼此相同或接近的尺寸和形状。
[0074]
实施的切割技术可以是任何类型的，并且特别是根据电池102的特性(材料、厚度等)来选择：在电池102的整个厚度上的激光切割、机械劈开、激光切割后进行机械劈开、例如用金刚石圆盘锯进行锯切、金刚石线切割、激光切割后进行水射流切割等。
[0075]
切割电池102以形成n个子电池120，其中n为大于或等于2的整数。
[0076]
电池102的这种切割将每个汇流条108以及金属化部124分成几个部分。
[0077]
在第三步骤30期间，实施对子电池120中的每一者的电流-电压特性的测量。每个子电池120的电流-电压特性的测量在与实施未切割的电池102的电流-电压特性的先前测量相同的照射和测量条件下进行。
[0078]
在本文描述的特定实施例中，接触元件112用于测量未切割的电池102的电流-电压特性，并且还用于测量子电池120的电流-电压特性。因此，在测量子电池120的电流-电压特性之前，子电池120被重新组装，即并排放置，以重建具有在物理上与电池102的几何形状相同或接近的几何形状的组件。
[0079]
开关118、119被设置为断开状态，使得在接触元件112中的每一者中，电连接114、116以及电压测量和电流测量尖端115形成彼此电绝缘的几个独立测量电路，以便独立地测量子电池120中的每一者的电流-电压特性。在图5所示的示例中，图5所示的示例对应于电池102被切割以形成两个子电池或半个电池120.1、120.2的情况，断开开关118、119使得第一电连接部114和几组电压测量尖端115能够形成两个独立的电压测量电路，这两个独立的电压测量电路彼此电绝缘并且包括彼此不同的尖端。开关118、119的断开状态还使得第二电连接部116和几组电流测量尖端115能够形成两个独立的电流测量电路，这两个独立的电流测量电路彼此电绝缘并且包括彼此不同的尖端。两个电压测量电路中的第一者和两个电流测量电路中的第一者的尖端与位于第一子电池120.1上的汇流条108的第一部分108.1接触，并且两个电压测量电路中的第二者和两个电流测量电路中的第二者的尖端与位于第二子电池120.2上的汇流条108的第二部分108.2接触。
[0080]
同样，在对电池102进行切割的情况下，用于接触存在于子电池120的背面106上的金属化部109的部分的接触元件124被分成几个彼此电绝缘的不同部分，以便彼此独立地执行子电池120的电流-电压特性的测量。在图5所示的示例中，接触元件124被分成彼此电绝缘的两个部分124.1、124.2，每个部分124.1、124.2都与金属化部109的部分109.1、109.2之一接触。
[0081]
子电池120的电流-电压特性的测量可以通过使用几个测量装置110同时并行地执行。在图5的示例中，存在两个测量装置110.1、110.2，每个测量装置110.1、110.2都连接到通过断开开关118、119获得的两个电流测量电路之一和两个电压测量电路之一。在这种情况下，子电池120被同时照射，以执行对这些子电池120的电流-电压特性的测量。
[0082]
可替代地，子电池120的电流-电压特性的测量可以通过使用例如单个测量装置110连续执行，测量装置110然后连续连接到与子电池120中的每一者相关联的测量电路。在这种情况下，子电池120可以被连续照射，以执行子电池120的电流-电压特性的测量，测量结果能够在测量装置110的输出处被时分复用。子电池120的电流-电压特性的测量也可以在子电池120的单次照射期间进行。
[0083]
子电池120的测量的电流-电压特性对应于曲线，每条曲线表示由子电池120中的一个子电池输送的电流随该子电池120的两端电压值而变化。
[0084]
在第四步骤40期间，子电池120彼此并联电连接以形成组件123，测量组件123的电流-电压特性。子电池120之间的这些并联电连接在这里是通过闭合开关118、119以及通过将接触元件124的分开部分124.1、124.2彼此电连接来实现的，接触元件124的分开部分124.1、124.2用于接触存在于子电池120的背面上的金属化部109.1、109.2。图6示意性地示出在这个步骤中实现的配置。
[0085]
当子电池120先前已经被重新组装以重构具有在物理上与电池102的几何形状相同的几何形状的组件时，第三和第四步骤30和40可以连续地没有中断地实施。
[0086]
可替代地，通过时分复用，步骤30和40可以通过对子电池120的同一照射并且通过同一个测量装置110来实施。在这种情况下，在同一照射下，单独测量子电池120中的每一者的电流-电压特性(步骤30)，测量装置110交替地连接到子电池120的电流-电压测量电路中的每一者。开关118和119然后闭合以执行步骤40。
[0087]
通过并联电连接子电池120形成的组件123的电流-电压特性的测量是在与实施未切割的电池102的电流-电压特性的先前测量(步骤10)和子电池120的电流-电压特性的先前测量(步骤30)所用的照射和测量条件相同的照射和测量条件下实施的。
[0088]
在步骤50期间，量化切割对电池102的电性能的影响。
[0089]
为了量化切割对电池102的电性能的影响，未切割的光伏电池102、子电池120中的每一者以及包括彼此并联电连接的所有子电池120的组件123的性能参数基于先前测量的电流-电压特性来确定。对于这些电流-电压特性中的每一者，确定或计算例如以下参数中的一者或多者：短路电流i
sc
或短路电流密度j
sc
、开路电压v
oc
、形状因子ff、使得能够获得由电池102输送的最大功率p
max
的电流i
max
和电压v
max
、转换效率η。
[0090]
这些参数由以下等式限定：
[0091][0092]
其中p
l
对应于接收到的光功率，例如在标准条件下为1000w/m2。
[0093]
参数i
sc
、v
oc
、v
max
和i
max
可以直接基于电流-电压特性曲线确定。
[0094]
此外，短路电流密度j
sc
对应于由电池102或子电池120之一或由并联连接的子电池120形成的组件123的表面积归一化的短路电流i
sc
。
[0095]
然后，通过针对子电池120中的每一者计算子电池120的至少一个电性能参数的值与未切割的光伏电池102的至少一个电性能参数的值之间的差来量化由切割电池102的步骤产生的额外的差异，其中未切割的光伏电池102具有与针对光伏子电池所考虑的性质相同的性质。因此，对于每个子电池120，将一个或多个性能参数的值与针对整个电池102确定的一个或多个相同参数的值进行比较。对于所考虑的取决于表面积的参数(i
sc
、i
max
、p
max
)，所比较的是通过电池大小归一化的值。
[0096]
切割损失还通过计算包括彼此并联电连接的所有光伏子电池的组件123的至少一个电性能参数的值与未切割的光伏电池102的至少一个电性能参数的值之间的差值来量化，其中未切割的光伏电池102具有与针对所述组件123所考虑的性质相同的性质。
[0097]
用于确定额外的差异的参数可以与用于评估与切割电池102相关联的损失的参数相似，也可以不相似。有利的是，额外的差异和切割损失是基于针对先前测量的电流-电压特性中的每一者确定的开路电压v
oc
的值来计算的。
[0098]
对于上述方法的实施，所使用的接触元件112的类型取决于存在于电池102的正面和背面上的金属化部：当金属化部对应于汇流条时为设有接触尖端的梳状物；针对由存在于电池背面上的单个接触器形成的金属化部为采集板pcb或例如由铜制成的全板接触器(也称为“卡盘”)；当金属化部仅对应于收集指状物(没有汇流条)时为导电导线等。
[0099]
在图7示出的配置中，存在于电池102的正面104上并且因此存在于子电池120的正面上的金属化部对应于没有被汇流条覆盖的收集指状物122。接触元件对应于设置在正面104上的导电材料的导线121，垂直于收集指状物122，以及在背面上使用的印刷电路板(pcb)类型的采集板124.1、124.2。用于电流测量的导线121不同于用于电压测量的导线。此外，在切割了电池102之后，几组导线121被限定为使得每组导线专用于在子电池120之一上执行测量。
[0100]
前述电表征方法有利地在使用光伏子电池的光伏模块生产线上实施。因此，通过跟踪由将电池切割成几个子电池引起的额外的差异的过程，以及通过跟踪由切割步骤产生的损失的过程，可以监测电池切割对所获得的子电池性能的影响的规律性。