太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展.pdf

引用格式：引用格式：李傲,肖文波,张濬哲,等.太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展J.中国测试，2024,50(1):1-8.LIAo,XIAOWenbo,ZHANGJunzhe,etal.ResearchprogressofsolarcellimpedancespectroscopymeasurementmethodanditsapplicationJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):1-8.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022080063太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展李傲1，肖文波1，张濬哲2，吴华明1，王树鹏3(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063;2.南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌330063;3.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁沈阳110043)摘要:阻抗谱测量技术是研究太阳能电池的重要手段。该文首先对近几年提出的阻抗谱测量方法进行评述，分析各类方法的优缺点。通过对阻抗谱测量方法的研究，发现不同测量方法之间的差异主要体现在其效率、精度以及成本等方面。其次，分析阻抗谱在太阳电池故障检测、电子输运、界面研究等方面的应用情况，指出它们评价电池动态行为时存在的不足之处。最后，总结阻抗谱测量方法未来发展方向及应用需求。关键词:太阳能电池;阻抗谱;故障评估;电子输运;界面研究中图分类号:TM930.12;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01000108Research progress of solar cell impedance spectroscopy measurementmethod and its applicationLIAo1,XIAOWenbo1,ZHANGJunzhe2,WUHuaming1,WANGShupeng3(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting,MinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.MaterialScienceandEngineeringInstitute,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;3.AECCShenyangLimingAero-EngineCo.,Ltd.,Shenyang110043,China)Abstract:Impedancespectroscopyisanimportantmeansofstudyingsolarcells.Firstly,thispaperreviewstheimpedancespectroscopymeasurementmethodsproposedinrecentyears,andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofeachmethod.Throughthestudyofimpedancespectroscopymeasurementmethods,itisfoundthatthedifferencesbetweendifferentmeasurementmethodsaremainlyreflectedintheirefficiency,accuracyandcost.Secondly,theapplicationofimpedancespectroscopyinfaultdetection,electrontransport,andinterfaceresearchareanalyzed,andtheirshortcomingsinevaluatingthedynamicbehaviorofcellsarepointedout.Finally,thefuturedevelopmentdirectionandapplicationrequirementsofimpedancespectroscopymeasurementmethodsaresummarizedandanalyzed.Keywords:solarcells;impedancespectrum;failureassessment;electrontransport;interfaceresearch收稿日期:2022-08-11；收到修改稿日期:2022-10-05基金项目:国家自然科学基金(12064027，62065014)；研究生创新专项资金(YC2022-118，YC2022-113)作者简介:李傲（1999-），男，河北保定市人，硕士研究生，专业方向为光伏检测技术。通信作者:肖文波（1975-），男，江西南昌市人，教授，博士，主要从事半导体光电检测等方面的教学与科研工作。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,20240 引言太阳能光伏发电是一种可行且被广泛采用的将光能转化为电能的方法，用以解决化石燃料耗竭、环境污染、气候变化等问题1-2。但是受到工作环境温度、辐照光强等因素变化的影响，光伏发电是不稳定的，且电池故障等也会影响其发电效率3-4。因此，用于光伏发电动态性能表征及其工作机理分析的电池阻抗测量方法逐渐成为人们关注的重点5-7。原因在于阻抗谱信息不仅包含直流电阻信息，还包含动态电容、电感等信息8。本文首先对近年阻抗测量方法进行总结，并评述了它们的优缺点。其次，分析了阻抗谱在太阳能电池故障检测、电子输运等方面的应用情况。最后，对阻抗谱测量技术的未来发展方向进行了展望。1 阻抗测量原理阻抗测量是将小幅度的激励信号施加到被测对象上，通过分析激励信号和响应信号之间的相位、幅值、频率等关系，得到一定频率范围内的频率响应函数9(阻抗谱复平面图又称 Nyquist 图，其中横坐标为阻抗实部，纵坐标为阻抗虚部；或者波特图又称 Bode 图，其横坐标为频率，纵坐标为幅值或相位)。原理图如图 1 所示10。用频率为 的单频交流信号 I()或 V()激励被测对象，测量其对应的响应信号 V()或 I()；通过响应信号和激励信号的比值，可以得到被测对象的阻抗 Z()。通过改变激励信号的频率，多次测量可以得到被测系统完整的阻抗谱。另外，直流偏置(负电压、0、正电压)会影响被测对象的内电场，可用于不同偏置下电池阻抗分析。由上面测量原理可知，激励信号源的方式、交流直流施加方式、系统硬件设计方式、信号采集与分析方式等都会对阻抗谱测量的精度与速度产生影响。为此，下面对最近的研究与进展进行了总结与分析。信号发生器改变,进行下一次频点测量频率为 的单频信号被测对象直流偏置V()或 I()I()或 V()Z()=V()/I()V():电压I():电流Z():阻抗输出信号测量输入信号测量图 1 阻抗谱测量方法原理1.1 激励信号源对阻抗谱测量的影响分析图 2(a)介绍了激励信号输入波形可以采用单正弦波、脉冲波、多正弦波、方波等阻抗测量系统。图 2(b)所示实际电路中可由数据采集卡生成各种激励信号，电池两端电流和电压通过电流和电压探针采集；烤箱用来改变温度，由温度传感器采集温度11。常用的激励信号通常为单正弦波12，通过频率扫描进行测量，响应信号乘以参考正弦波(或余弦波)获得被测对象阻抗的实部和虚部。采用单频正弦波作为激励信号虽然阻抗测量结果准确，但是整个阻抗谱区耗时长。激励信号的频率扫描一般采用对数或线性间隔方式变化，但线性间隔不能准确获得低频区域阻抗，对数间隔不能准确获得高频区域阻抗13。当某些频段的测量频点数量不足时，就无法反映阻抗特性的完整信息。为此，文献 14 提出了自适应频率调整方法，即根据测量信息拟合的结果进行采样频率数量调整。在波峰波谷区域增加采样点，在单调区域减少采样点。这样既能得到更准确平滑的阻抗曲线，还可以提高测量效率。为了一次测量获取多频率点的阻抗信息，减少测量时间，提出了脉冲波或多正弦信号(多个不同频率的叠加正弦波)作为激励信号的测量方法15-16。但是脉冲波的产生要求苛刻，实现起来很困难，难以推广。而多正弦输入中噪声对结果的影响明显，测量精度有待提高。为了降低测量成本，文献 17 提出把方波作为激励信号。这样就可以用时钟发生器和基于单正弦波脉冲波方波多正弦波激励源烤箱用于温度传感的万用表电流和电压探针待测电池数据采集卡(a)激励信号源的选择(b)阻抗测量系统图 2 基于不同激励信号源的阻抗谱系统及实际测量系统2中国测试2024年1月开关矩阵的解调代替 DAC(用来生成正弦波)和线性混频器，简化了系统并提高了效率；该方法相比传统正弦波输入法的优点是成本较低、测量简便，并且测量结果显示幅值误差和相位误差分别降低到了 1%和 0.5%。但是，该方法测量精度会受到谐波影响。1.2 交流直流施加方式对阻抗谱测量的影响分析U1U2ZX=(U1/U2U1)RrefZX=(U1/U2)RrefU1U22,82,8阻抗谱测量中需要交直流叠加施于样品上面，根据电路不同，可以分为伏安法、自动平衡电桥法、对称电路、阻抗匹配电路，如图 3(a)(d)所示。图 3(a)是伏安法，电路由信号源、参考电阻 Rref及待测电池阻抗 ZX串联组成。是 ZX两端电压，是 激 励 电 压，根 据 欧 姆 定 律 由 公 式得到 ZX。伏安法只能测量低频或者一端接地的阻抗，因此文献 18 提出了自动平衡电桥技术。自动平衡电桥法如图 3(b)所示，即在图 3(a)的基础上加入了运算放大器。运算放大器反向引脚接地，根据虚短和虚断，电桥实现自动平衡。通过 ZX和 Rref的电流相等，因此 ZX可由公式计算得到。Rref已知，和通常使用 ADC 来采集。鉴于阻抗测量中微弱的电流很容易受到电磁干扰19，且当 ZX随激励信号频率改变造成 ZX和 Rref不匹配时存在测量误差。为此，文献 20 提出了自适应参考电阻的测量方法；该方法使用对称电路来消除电磁干扰带来的噪声影响，对称电路如图 3(c)所示；由电阻 Ra、Rb及 ZX串联组成。Vi代表激励信号，In1和 In2是来自电磁干扰的噪声电流；当 Ra=Rb时，根据基尔霍夫电流定律，可以消去 In1和 In2。根据 Rref等于 ZX时测量误差最小原理，阻抗匹配电路被提出，如图 3(d)所示。参考电阻采用的是标准阻抗对 Rn和Rn+8(n=1,)，由一个 8 通道多路复用器 ADG707 对称连接。Rn和 Rn+8连接到开关 SnA 和 SnB，参考电阻取值为 10n1(n=1,)，自适应匹配算法会根据阻抗比选择和 ZX相近的最优 Rref。图 3(e)是阻抗匹配方法的实际电路图，主要由 STM32 系统、电子开关电路(ADG707 电路)、负电压转换电路和差分放大(OPA4132 电路)等信号处理电路组成。利用主控芯片STM32 芯片中的 DA 模块产生交流激励电压信号，结合负电压转化电路、OPA4132 电路、ADG707 电路以及串口通信模块对被测对象进行阻抗谱测量21。阻抗匹配电路有效解决了 Rref与 ZX不匹配的问题，提高了测量精度。缺点是当 ZX较大时，低频段电流较小，此时的测量结果受运算放大器的偏置电流和偏移电压以及直流分量的影响大22。(a)伏安法(b)自动平衡电桥法(c)对称电路Ra(d)阻抗匹配电路STM32F103OPA4132ADG707负电压转换电路(e)阻抗匹配实验电路In1RrefRrefU1Vo1Vo2ViViZXZXZXRbIn2R1R8S8AS1AS1BS8BR9R16ZXU2U1U2图 3 阻抗谱测量方法及电路1.3 系统硬件设计方式对阻抗谱测量的影响分析阻抗谱测量系统涉及激励产生模块、采集模块、分析模块等，它们的硬件设计方式会对阻抗谱测量产生影响。如图 4(a)(c)所示，列举了 3 种使用集成电路与嵌入式技术设计的阻抗测量系统。图 4(a)是一种便携式阻抗测量系统，采用 DFT 算法得到阻抗；具体是采用 STM32 基于 DDS 产生正弦波激励信号；通过芯片 AD5933 以及相关外围电路完成阻抗测量；采用芯片 AD5111 进行量程切换用来提高精度。研究表明系统测量误差在 2.5%以内，误差来自两方面，一是外围电路影响了测量精度，二是检测电路元器件布局可能存在干扰23。为了提高精度，文献 24 提出一种高精度的阻抗谱测量系统，采用伏安法测量阻抗。如图 4(b)所示该方法利用 STM32+DDS 技术产生正弦激励信号。与图 4(a)的方法不同的是，该方法采用 AD8055第50卷第1期李傲，等：太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展3为核心的压控电流源电路，减小了由参考信号准确度带来的误差影响。响应信号经过放大器 AD8421放大后输出到 AD8302 进行幅值相位检测，并且该方法用到了自适应参考阻抗匹配搭配最小二乘校准的方法，提高了测量精度，研究表明该方法实部和虚部误差分别在 1.6%和 1.5%之内。为了进一步提高精度，文献 25 提出使用 FPGA+DDS 技术生成激励信号。如图 4(c)所示，该方法与上述方法相比在生成激励信号之后增加了低通滤波器，减少了波形失真，使生成的正弦波激励信号更准确。而且，实现了激励源电阻和自动平衡电桥中的 Rref同时换挡，提高了测量精度，研究表明测量误差在0.02%之内。图 4(d)为 STM32 搭配自动平衡电桥的电路图。通过 STM32 产生激励信号施加到被测阻抗物两端，通过自动平衡电桥电路测量被测物两端电压，电压信号经解调后再由 A/D 转换成数字量，用来计算阻抗26。1.4 信号采集与分析方式对阻抗谱测量的影响分析信号采集与分析方式会对阻抗谱测量产生影响，如图 5(a)所示，可通过对激励信号和响应信号进行信号变换，把时域信号转换到频域中进行计算后，得到被测对象的阻抗谱。为了缩短测量时间，文献27 提出基于快速傅里叶变换(FFT)的测量技术。该方法通过对响应信号进行 FFT 处理得到各频点的阻抗值，进而得到阻抗谱。但是传统的 FFT 方法很容易出现谱泄漏(没有分析一个完整周期的信息)的情况，这会导致测量结果出现误差。为此，文献 28 提出了加窗 FFT 的方法测量阻抗。该方法虽然能很好地抑制谱泄漏，但是在测量多个频率成分的信号时误差大。文献 29 提出了一种全相位FFT 的测量方法。该方法既能抑制谱泄漏，还能测量包含多个频率成份的信号。为了进一步缩短测量时间，提出了基于解析函数的拉普拉斯变换(LT)技术。该方法对响应信号进行半对数计算得到时域解析函数，然后对解析函数和激励信号进行 LT，得到阻抗关于频域的关系式。该方法测量时间相比全相位 FFT 方法减少二分之一，而且得到的阻抗谱比较圆滑，准确度更高。但是该方法在 LT 的公式中不能直观地看到阻抗关于频率的关系。另外需要考虑施加激励后达到周期性稳态所允许的延迟。如图 5(b)所示，与基于 FFT 技术、扫频和阻抗谱测试仪得到的阻抗谱相比，基于 LT 技术得到的阻抗谱更连续且分布更均匀，曲线也更加光滑，准确度更高29。激励信号被测对象输出响应输入响应信号变换信号变换V()/I()Z()=V()/I()I()/V()(a)信号变换技术测量原理图(b)几种测量方法的阻抗谱对比图实部/虚部/1.21.01.52.02.51.00.5 理论阻抗谱+解析函数 Laplace 结果 全相位 FFT 结果扫频方式结果+CS 阻抗谱测试仪结果0.80.60.40.20图 5 信号变换技术测量原理及实际测量结果图1.5 小结1）在激励信号源的选择方面，波形的选择很重要，涉及测量时间与精度；此外，信号源频率的变化也很重要，涉及测量的数据多。总之，减少噪声、谐波的影响可以提高测量精度。2）在交流施加方式方面，对称电路是减少电磁STM32+DDS(直接数字频率合成)DFT 算法 AD5933+AD5111STM32+DDS伏安法AD8055+AD8421+AD8302自适应参考阻抗匹配+最小二乘校准STM32+FPGA+AD9744+DDS低通滤波器自动平衡电桥AD9269混频器(a)(c)(b)(d)STM32+自动平衡电桥自动平衡电桥STM32 控制器被测件图 4 系统硬件设计方式对阻抗谱测量的影响及实验硬件电路4中国测试2024年1月干扰的重要手段，自适应参考电阻是减少频率变化对电池阻抗影响的有效工具。但是电路的复杂不可避免带来噪声影响。3）系统硬件设计方式必然影响测量结果，目前FPGA+DDS 方法搭配自动平衡电桥的技术具有较好的精度表现。4）时域阻抗测量转换到频域可以实现阻抗信息的一次采集，达到缩短测量时间的目的；目前基于解析函数的 LT 方法耗时最短。2 基于阻抗谱评估太阳能电池性能从阻抗谱中可以获得太阳能电池并联电阻 Rp、电容 Cp和串联电阻 Rs等参数来反映其性能；此外，通过阻抗谱还可以诊断故障及研究载流子传输特性等30，下面对此分析。2.1 由阻抗谱检测电池故障图 6 给出了电池老化故障阻抗谱(a)，微裂纹故障参数(b)，局部遮阴故障阻抗谱(c)以及 PID 故障参数(d)。(a)电池老化故障阻抗谱(b)微裂纹故障参数(c)局部遮阴故障阻抗谱(d)PID 故障参数实部/k次数虚部/k虚部/实部/0123000.40.20.60.81.00.40.20.50408080120160160200240240Ref.(without shadow)hotspot 50 mm50 mmhotspot 60 mm60 mmhotspot 70 mm70 mm1.01.52.00.60.81.01.21.4AgedFreshR=1.9 kR=0.8 k0510152000.40.20.60.81.0051015202 4 6 8 10121416时间/hRpRp/kRp/kCpCp/FCp/FRpCp图 6 电池故障阻抗谱或参数如图 6(a)中所示，红色曲线和蓝色曲线分别代表老化和正常的阻抗谱，代表复合电阻(R)的半圆随着老化的增加而扩大；老化越严重，半圆扩大的越明显。反映出电池中载流子的复合减少31。但是可以看到，低频区得到信息不准确，所以在测量阻抗时频率扫描不能采用线性间隔变化。如图 6(b)所示，在微裂纹故障中，电池 Rp变小，但 Cp变化不大。并且可以看到，Rp随着微裂纹故障的加重而变得越来越小。而 Rp减少的原因可能是裂纹的形成会增加 pn 结中的漏电流。如图 6(c)所示，绿色曲线代表未遮阴情况下的阻抗谱，红色、蓝色、粉色分别代表遮阴 50mm50mm、60mm60mm、70mm70mm 情况下的组件阻抗谱；从图中可以看到无论在遮阴面积多大情况下，阻抗半圆都出现了明显的收缩(Rp减小)；出现这种现象的原因可能是特定区域的太阳能电池温度升高，并由于热应力而形成微裂缝，从而导致 Rp减小。随着遮阴面积扩大，收缩越明显32。如图 6(d)所示 PID 故障中，Rp和 Cp都明显减小33，而且随着 PID 强度的增加，Rp和 Cp也变得越来越小。这里 Rp减小的原因是 PID 使离子扩散到 pn 结，造成漏电流增大，导致 Rp减小；Cp减小是因为离子的扩散改变了 pn 结中的掺杂条件，从而降低了电池上的载流子密度。总之，电池故障可以在阻抗谱变化中定性分析，只是在阻抗谱中体现的重点不同。比如老化程度体现在 R 的变化，PID 对 Cp影响更大。为了清晰识别各种故障，需要准确得到阻抗谱及各种参数，尤其是低频区。2.2 由阻抗谱研究电子输运dnnndfBisquert 等34用阻抗谱研究钙钛矿太阳能电池(PSC)，定性地分析了电池复合、传输过程。潘武淳等35通过阻抗测量，得到并比较 PSC 的载流子运输时间()、运输寿命()等。图 7 和表 1 分别是 PSC 的阻抗谱和输运参数。从图 7 中可以看到，3 块电池的阻抗谱都由两段弧组成，但是由于 3 块电池的 R 不同，所以代表 R 的大圆弧出现了明显的区别。在表 1 中对得到的电子输运参数进行对比得到 P1 的最大为3.09ms；P2的最小为1.41ms，扩散长度最短。利用高频频率倒数计算出载流子在空穴传输层扩散的特征频率约为 2s1，分析得到载流子在空穴传输层的传输速度大于在钙钛矿薄膜中的传输速度35。虚部/实部/电池:200050100150200250300350400450P1P2P3500400600800501001501000图 7 不同 PSC 的阻抗谱第50卷第1期李傲，等：太阳能电池阻抗谱测量方法及其应用进展5表 1 不同 PSC 的输运参数电池n/msdf/s1LdLP13.092.3559.8P21.411.5721.2P32.221.8873.5AzimahOmar 等36使用等效电路研究了染料敏化太阳能电池(DSSC)中 TiO2/电解质界面处的电子复合、对电极处的电荷转移和电解质中氧化还原对的扩散等过程。阻抗谱理论上可以为量化太阳能电池传输速率、复合损失等参数提供基础。但是需要合理的太阳能电池模型37。2.3 由阻抗谱进行界面研究图 8 展示了不同的 TPE-DPP 衍生物作为界面材料的 PSC 阻抗谱以及用来研究 PSC 界面的等效电路和界面阻抗谱38-39。由于使用的等效电路不同，所以图 8(a)和(c)的阻抗谱存在差异。在图 8(a)中，黑色曲线代表未加入 TPE-DPP 衍生物的 PSC 阻抗谱，绿色和粉色分别代表加入烷基链长度为 12 和 16 的 TPE-DPP 衍生物的 PSC 阻抗谱。可以看到增加烷基链的长度可以有效地降低 Rct，但烷基链太长不利于界面处的接触，导致 Rct变大。引入 TPE-DPPC12 界面材料的电池 Rct最小，能够更快速地传输电荷38。值得注意的是，图 8(a)低频区的阻抗谱并不完整，这同样需要对测量方法提出要求。在文献 35 中使用图 8(b)所示的等效电路对 PSC 界面阻抗谱进行研究，等效电路由串联电阻、并联电阻、电容以及异常扩散元件(Ediffusion)组成。研究发现在不同频率下，电池具有不同的行为。如图 8(c)所示较低频率下曲线趋向线性，表明有一个额外的电容扩散分量，这说明 PSC 中还存在离子迁移、嵌入甚至离子置换等过程。这个扩散分量还会导致平带电位增加。总之，通过对界面的阻抗谱分析可以得到重要的薄膜特性，例如平带电位、载流子类型和密度等39。(a)烷基链长度不同的 TPE-DPP 衍生物 作为界面材料的 PSC 阻抗谱(b)PSC 等效电路图(c)图(b)中等效电路对应的 PSC 阻抗谱实部/0010020 kHz2 kHz500 kHz100 kHzFittingEIS data100200200300300400400500500300300600600900C60TPE-DPP12/C60TPE-DPP16/C60C2R1R2Ediffusion9001 2001 2001 500 1 800实部/虚部/虚部/图 8 不同的 TPE-DPP 衍生物作为界面材料的 PSC 阻抗谱以及用来研究 PSC 界面的等效电路和界面阻抗谱2.4 小结阻抗谱是评估太阳能电池性能的重要内容，首先通过阻抗谱及提取的参数不仅可以判断电池故障类型，而且还可以得到太阳能电池的电子输运特征。其次阻抗谱可以清晰地对提高太阳能电池光电转换效率的各种方法进行对比，从而找到更好的方法来实现更高的光电转换效率。最后可以通过界面处的阻抗谱来研究电池不同的化学过程。3 结束语本文首先介绍了阻抗谱的测量方法，并分析了每种方法的优缺点。实际上，不存在兼顾所有优势(成本、速度、精度等)的测量方法。在实际中需要根据具体情况对测量速度和精度进行权衡，选择合适的测量方法。未来测量系统的发展方向主要分为 3 方面：1）测量成本更低，主要体现在系统搭建上，尽量采用集成电路来取代大型设备或者仪器；2）测量精度更高，尽量采用自动平衡电桥的测量方法或者阻抗匹配方法来提高测量精度；3）测量效率更高，可以使用多正弦波作为输入信号或者采用基于LT 的方法，这样能快速得到被测物的完整阻抗谱。其次介绍了阻抗谱在评估太阳能电池性能方面的应用。其应用主要包括：1）通过对太阳能电池的阻抗谱分析可以及时诊断太阳能电池故障；2）可以通过阻抗谱得到电子输运的相关信息；3）通过分析界面处的阻抗谱，可以对电化学过程分析。另外，阻抗谱中的信息需要与合理的电池模型结合才能进行详6中国测试2024年1月细的分析。参考文献 雷剑鹏,肖文波,吴华明,等.基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统 J/OL.中国测试:1-72022-08-11.http:/ of solar cell based on data acquisition card andelectronicloadJ/OL.ChinaMeasurement&Test,1-72022-08-11.http:/ K,WANG D J,ZHANG J,et al.Effects ofmethylammoniumacetatetotheperformanceofmesoscopicperovskitesolarcellJ.BatteryBimonthly,2022,52(3):272-276.2ZHOUH,ZHANGY,YANGL,etal.Short-termphotovoltaicpower forecasting based on long short term memory neuralnetworkandattentionmechanismJ.IeeeAccess,2019,7:78063-78074.3郑伟烁,郑文悦,李志伟,等.光伏电站在线监测技术现状与进步趋势展望 J.电测与仪表,2021,58(9):1-7.ZHENGWS,ZHENGWY,LIZW,etal.Statusandoutlookof 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