三点、四点法机械性能测试建模及其在太阳电池中的应用

何仁; 李英叶; 陈敬欣; 赵学玲; 汤欢; 张丽娜; 沈艳娇; 李锋; 杨琳; 韦德远

doi:10.7498/aps.68.20190597

摘要

用三点弯曲和四点弯曲测试方法分别测试了单晶硅片和双面电池两种不同样片的机械性能, 通过建立模型, 探讨了不同的弯曲测试方法对样片的最大弯曲位移、最大载荷和断裂强度的影响. 研究表明: 三点弯曲和四点弯曲测试测量的最大弯曲位移相差不大, 但对单晶硅片而言, 三点弯曲测试方法测量结果离散度较大, 四点弯曲测试方法测量结果离散度较小. 然而不论是单晶硅片还是双面电池, 四点弯曲测试方法均能通过分散载荷的方式而增加样片的承载能力, 四点弯曲测试方法计算得出的断裂强度较小于三点弯曲测试的结果.

关键词:

三点弯曲 /
四点弯曲 /
机械性能 /
建模

Abstract

Silicon (Si)-wafer-based solar cells have dominated the global market with a share exceeding 90% due to their abundant source material and well-known physical and chemical properties. The brittleness of silicon material limits its further applications. It is necessary to investigate the material strength properties of Si wafer and/or Si solar cells, which can guide the fabrication process of Si solar cells to avoid breaking the Si wafers. The Si material strength properties have been extensively investigated by the methods of three-point bending test and four-point bending test. However, the difference between these two methods has not been studied so far.In this work, the mechanical strength properties of monocrystalline silicon (c-Si) wafer and bifacial c-Si solar cells are measured by three-point bending test and four-point bending test respectively. The average value of the maximum bending displacements has a little discrepancy between the results of the three-point bending test and four-point bending test methods. It is worth noting that the degree of dispersion of the Si wafer test results of the three-point bending test is larger than those of the four-point bending test. And the results of the dispersion of the Si bifacial solar cells, obtained from the two bending test methods, show no difference between them due to the existence of metalized electrodes. Whether the measured sample is Si wafer or Si solar cell, the average value of the maximum load, obtained from the four-point bending test, is higher than that from the three point-bending test method, and the average value of the fracture strength, obtained from the four-point bending test, is lower than that from the three-point bending test method. By establishing the models of different beams, the applied load gets dispersed through two bars of the four-point bending test method, whereas the applied load is directly applied to the sample through one bar of the three-point bending test method, which can explain the relatively large difference between these two test methods.

Keywords:

three point bending test /
four point bending test /
mechanical property /
modeling

作者及机构信息

何仁¹,
李英叶²,
陈敬欣²,
赵学玲²,
汤欢²,
张丽娜²,
沈艳娇²,
李锋²,
杨琳¹,
韦德远¹

1.
河北大学物理科学与技术学院, 光电信息与材料重点实验室, 保定　071002

2.
英利新能源股份有限公司, 保定　071051

通信作者: 韦德远, deyuan.wei@hotmail.com

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(批准号: 61704045)和国家自然科学基金(批准号: 11604072)资助的课题.

Authors and contacts

He Ren¹,
Li Ying-Ye²,
Chen Jing-Xin²,
Zhao Xue-Ling²,
Tang Huan²,
Zhang Li-Na²,
Shen Yan-Jiao²,
Li Feng²,
Yang Lin¹,
Wei De-Yuan¹

1.
Key Laboratory of Optic-electronic Informationand Materials, Institute of Physical Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China

2.
Yingli Green Energy Holding Co., Ltd., Baoding 071051, China

Corresponding author: Wei De-Yuan, deyuan.wei@hotmail.com

Funds: Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61704045) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11604072).

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参考文献

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施引文献

图 1 双面电池结构示意图

Fig. 1. The schematic diagram of the structure of bifacial solar cell.

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图 2 测试参数示意图　(a) 三点弯曲; (b) 四点弯曲

Fig. 2. The schematic of test parameter: (a) Three point bengding; (b) four point bengding.

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图 3 硅片三点和四点弯曲测试数据对比　(a) 载荷与位移的变化曲线; (b) 最大弯曲位移; (c) 最大载荷; (d) 断裂强度

Fig. 3. Parameter comparison of silicon wafer test of three point and four point bending test: (a) Force as function of the bending value; (b) maximum bending displacement; (c) maximum force; (d) fracture strength.

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图 4 双面电池三点和四点弯曲测试数据对比　(a) 载荷与位移的变化曲线; (b) 最大弯曲位移; (c) 最大载荷; (d) 断裂强度

Fig. 4. Parameter comparison of bifacial solar cells test of three point and four point bending test: (a) Force as function of the bending value; (b) maximum bending displacement; (c) maximum force; (d) fracture strength.

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图 5 作用力和弯矩图　(a) 三点弯曲; (b) 四点弯曲

Fig. 5. The model diagram of force and bending moment: (a) Three point bending test; (b) four point bending test.

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表 1 三点弯曲和四点弯曲测试的比较

Table 1. Comparison of three point bending and four point bending tests.

单位	国家	样片	厚度	测试方法	研究内容	年份	参考文献
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CMME	西班牙	多晶、单晶、类单晶	200 μm	四点弯曲	对相同厚度的多晶、单晶、类单晶的晶体硅片的机械强度进行了比较	2014	[ 11]
IEP-TUBF	德国	多晶硅片	250—300 μm	四点弯曲	研究了损伤腐蚀对太阳能硅片力学性能的影响	2009	[ 4]
UNIST	韩国	单晶硅片	50 μm	四点弯曲	同制绒工艺改变硅片表面形貌对晶体硅机械性能的影响	2017	[ 12]
Fraunhofer -CSP	德国	多晶硅片	—	四点弯曲	激光钻孔对机械性能的影响	2012	[ 13]
MEC	日本	多晶硅片	200—300 μm	四点弯曲	金刚线切割多晶硅片的弯曲强度, 并对不同强度值产生的原因进行了分析	2011	[ 14]
ISFH	德国	光伏组件	—	四点弯曲	标准尺寸太阳能光伏组件在受压情况下的裂纹分布情况	2016	[ 15]
注: TNI-UCC, Tyndall National Institute, University College Cork (科克大学, 廷德尔国立研究所); Fraunhofer-IMM, Fraunhofer-Institute for Mechanics of Materials (弗劳恩霍夫材料力学研究所); RERC-FREI-AIST, Renewable Energy Research Center, Fukushima Renewable Energy Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (国家先进工业科学技术研究所, 福岛可再生能源研究所, 可再生能源研究中心); SUTD, Singapore University of Technology and Design (新加坡科技设计大学) UNSW, University of New South Wales (新南威尔士大学); IEP-TUBF, Institute of Experimental Physics, TU Bergakademie Freiberg (弗莱贝格工业大学, 实验物理研究所); MEC, Mitsubishi Electric Corporation (三菱电力公司); Fraunhofer-CSP, Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics (弗劳恩霍夫硅光电中心); CMME, Centre for Modelling in Mechanical Engineering (机械工程建模中心); Solarforce S.A., 太阳力股份有限公司; ISFH, Institute for Solar Energy Research Hamelin (哈梅林太阳能研究所); UNIST, Ulsan National Institute of Science and Technology (蔚山国家科学技术研究院).

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