龙海文昌森邻:太阳能学习资料c - 话题门

　　一、硅片检测

　　硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测,同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。

　　二、表面制绒

　　单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。

　　三、扩散制结

　　太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。

　　四、去磷硅玻璃

　　该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。

　　五、等离子刻蚀

　　由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。

　　六、镀减反射膜

　　抛光硅表面的反射率为35%,为了减少表面反射,提高电池的转换效率,需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。

　　七、丝网印刷

　　太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。

　　八、快速烧结

　　经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。

　　九、外围设备

　　在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、特汽等外围设施。消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产50MW能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在1800KW左右。工艺纯水的用量在每小时15吨左右，水质要求达到中国电子级水GB/T11446.1-1997中EW-1级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时15吨左右，水质中微粒粒径不宜大于10微米，供水温度宜在15-20℃。真空排气量在300M3/H左右。同时，还需要大约氮气储罐20立方米，氧气储罐10立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素，还需要单独设置一个特气间，以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。

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　　单晶硅制备方法

　　CZ

　　导电类型

　　P

　　晶向

　　<100>±3°

　　掺杂剂

　　B

　　位错密度（Nd）

　　≤3000/cm2

　　氧含量（O2）

　　≤1.0×1018/cm3

　　碳含量（C）

　　≤5.0×1017/cm3

　　少数载流子寿命（τd）

　　＞10μs

　　电阻率范围（ρ）

　　0.5-3Ωcm

　　3-6Ωcm

　　外观

　　无裂纹，无硬伤

　　准方型单晶片规格

　　125mm×125mm±0.25mm

　　直径

　　150±0.25mm

　　边长

　　125±0.25mm

　　垂直度

　　90°±0.3°

　　硅片厚度

　　200±30μm

　　总厚度变化（TTV）

　　≤30μm

　　线痕

　　≤20μm

　　Warp/Bow

　　≤50μm

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　　晶体硅生产一般工艺流程

　　⑴ 清洗

　　清洗的目的：

　　1去除硅片表面的机械损伤层。

　　2对硅片的表面进行凹凸面(金字塔绒面）处理,增加光在太阳电池片表面的折射次数,利于太阳电池片对光的吸收,以达到电池片对太阳能价值的最大利用率。

　　3清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。

　　化学清理原理：

　　HF去除硅片表面氧化层：

　　HCl去除硅片表面金属杂质：盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与溶解片子表面可能沾污的杂质，铝、镁等活泼金属及其它氧化物。但不能溶解铜、银、金等不活泼的金属以及二氧化硅等难溶物质。

　　安全提示：NaOH、HCl、HF都是强腐蚀性的化学药品，其固体颗粒、溶液、蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道，所以操作人员要按照规定穿戴防护服、防护面具、防护眼镜、长袖胶皮手套。一旦有化学试剂伤害了员工的身体，马上用纯水冲洗30分钟，送医院就医。

　　⑵制绒

　　制绒的目的：减少光的反射率，提高短路电流（Isc），最终提高电池的光电转换效率。

　　制绒的原理

　　利用低浓度碱溶液对晶体硅在不同晶体取向上具有不同腐蚀速率的各向异性腐蚀特性，在硅片表面腐蚀形成角锥体密布的表面形貌 ，就称为表面织构化。角锥体四面全是由〈111〉面包围形成。

　　反应为：Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2 ↑

　　影响绒面的因素：

　　NaOH浓度

　　无水乙醇或异丙醇浓度

　　制绒槽内硅酸钠的累计量

　　制绒腐蚀的温度

　　制绒腐蚀时间的长短

　　槽体密封程度、乙醇或异丙醇的挥发程度

　　⑶扩散

　　扩散的目的：在p型晶体硅上进行N型扩散，形成PN结，它是半导体器件工作的“心脏”；

　　扩散方法：

　　１．三氯氧磷（POCl3）液态源扩散

　　２．喷涂磷酸水溶液后链式扩散

　　３．丝网印刷磷浆料后链式扩散

　　本公司采用第一种方法

　　POCl3磷扩散原理：

　　1． POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：

　　2．生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：

　　3由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）。

　　4．生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气。

　　5． 在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为： 4POCL3+5O2→2P2O5+6CL2

　　6． POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层含P2O5的SIO2（磷硅玻璃），然后磷原子再向硅中进行扩散 。

　　影响扩散的因素：

　　１．管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小。

　　2。表面的杂质源达到一定程度时，将对N型区域的磷浓度改变影响不大。

　　3．扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。

　　4．N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。

　　安全操作：所有的石英器具都必须轻拿轻放。源瓶更换的标准操作过程。依次关闭进气阀门、出气阀门，拔出连接管道，更换源瓶，连接管道，打开出气阀门、进气阀门。

　　⑷周边刻蚀

　　周边刻腐目的：

　　1．去除硅片周边的n层，防止短路。

　　2．工艺方法有等离子刻蚀和激光划边。

　　3．我们采用等离子刻蚀机把周边n层刻蚀掉。

　　刻蚀方法：等离子刻蚀和湿法刻蚀。本公司采用等离子刻蚀。

　　等离子体刻蚀原理：

　　等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。

　　1．母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。

　　2．其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。

　　3．生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。

　　刻蚀影响因素：刻蚀时间和射频功率

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　　硅片作为晶体硅太阳能电池的基础材料，其质量对电池性能有很重要影响，下面以单晶硅片举例说明

　　一、少子寿命对电池性能的影响

　　少子寿命是指半导体材料在外界注入（光或电）停止后，少数载流子从最大值衰减到无注入时的初值之间的平均时间。少子寿命值越大，相应的材料质量越好。

　　二、早期光致衰减对电池性能的影响

　　1.早期光致衰减机理

　　光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体，从而使少子寿命降低，但经过退火处理，少子寿命又可恢复

　　2.危害

　　一方面会引起组件功率在使用的最初几天内发生较大幅度的下降，使标称功率和实际功率不符

　　另一方面，如果同一组件内各个电池片光致衰减不一致，会造成原本分选时电性能一致的电池片，经过光照后，电性能存在很大偏差，引起组件曲线异常和热斑现象，导致组件早期失效

　　热斑电池的温度与周电池的温度相差较大，过热区域可引起EVA加快老化变黄，使该区域透光率下降，从而使热斑进一步恶化，导致组件的早期失效。

　　3.解决办法

　　1）改善硅单晶质量

　　A.利用磁控直拉硅单晶工艺

　　此工艺不仅能控制单晶中的氧浓度，也使硅单晶纵向、径向电阻率均匀性得到改善，但需配置磁场设备并提供激磁电源，增加成本和工艺难度；

　　B.使用掺磷的N型硅片

　　从目前产业化的丝网印刷P型电池工艺来看，N型电池在转换效率和制造成本上还没有优势，一些关键工艺有待解决

　　C.用稼代替硼作为P型掺杂剂

　　2）电池片光照预衰减

　　三、位错对电池性能的影响

　　硅片中存在着极高的位错密度，成为少数载流子的强复合中心，最终导致电池和组件性能的严重下降。

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　　关于热斑

　　太阳电池热斑是指太阳电池组件在阳光照射下，由于部分组件受到遮挡无法工作，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑。

　　热斑可能导致整个电池组件损坏，造成损失。因此，需要研究造成热斑的内在原因，从而减小热斑形成的可能性。太阳电池热斑的形成主要由两个内在因素构成，分别与内阻和太阳电池自身暗电流大小有关。

　　组件功率下降究其原因主要有三方面：

　　1.硅片质量下降，导致电池出现较大幅度早期光致衰减；

　　2.一些组件制造厂组件制造工艺不合理，出现诸如电池片隐裂、EVA交联度不好、脱层、焊接不良等质量问题，这种组件在短时间内也会造成输出功率衰减或组件失效；

　　3.有些组件制造商功率测试不准确。

　　输出功率衰减可分为两个阶段：

　　1.早期光致衰减，即光伏组件的输出功率在刚开始使用的最初几天发生较大幅度的下降，但随后趋于稳定。其重要原因是硼氧复合；

　　2.组件的老化衰减，即在长期使用中出现的极缓慢的功率下降，产生的主要原因与封装材料的性能退化有关，也与电池缓慢衰减有关

　　反向电流

　　其实原本是针对二极管提出的一个概念，当二极管反向偏置的时候本来应该是不导通的，没有电流；但是实际在二极管两端加反向电压的时候，会有微弱的电流流过二极管，这个电流就是反向电流

　　漏电流也叫旁路电流

　　从反向电流和漏电流都可以判断Si片中杂质含量高低

　　暗电流：主要是因为刻蚀的时候 没有把边缘的PN结刻掉，并联电阻太小，造成漏电，开始的时候没什么关系，时间长后衰减得厉害。爆晒后就可以看出来了，如果做了组件后直接拿去爆晒 2天就看出来了。

　　暗电流曲线是指太阳能电池在没有光照下的电压－电流（IV）曲线，测试方法与光电流一样，只是必须完全隔绝光线。

　　测量暗电流的意义在于表征电池的整流效应。好的电池应该有比较高的整流比，也就是正向暗电流比反向暗电流高越多越好。电流的整流效应与电池开路电压有关。

　　暗电流： dark current

　　反向电流： reverse current

　　暗电流：无光照下，P-N结在不同电压下的电流

　　反向电流：反向偏压下，流经 P-N结的电流

　　电池片从线上下来测试的如果是烧结后的测试,在电场的作用下少子会定向移动,一般少子是由半导体本征激发而产生,暗电流过大会导致开路电压变小,直接导致转换率下降,然而暗电流过小的话,说明少子的量少,少子少说明少子寿命短,在少子被激发出来后很快的被复合掉,

　　少子寿命由少子的有效质量和散射有关,有效质量是与能带结构决定,一般片子都是固定的,有效质量也是固定的,所以少子寿命主要与散射有关,散射分离子散射,缺陷散射,和晶格散射等,如果片子内部缺陷多,离子多,晶格震动越厉害,散射率越明显,散射率越大,少子寿命大大越低,此外散射还与温度有关,温度越高,内部的微观运动越剧烈,导致散射率变大,少子寿命下降,少子寿命下降直接导致片子的短路电流减小,导致转换率下降,因此通过判断暗电流的大小,我们可以知道片子的基本状况,是好是坏,坏在哪里也就一清二楚了.

　　关于组件的损益

　　损益是封装的时候，一方面，由于封装材料和层压保护等方面对电流的提升作用，另一方面是不同功率电池封装以后电流的损耗性，还有就是接触电阻等的损耗作用，综合的因素

　　掺稼单晶电池和组件

　　2009年3月1日 太阳出来了 坐在明亮的办公室里 心情比较愉悦

　　在上文提出的解决光伏组件早期衰减的三种方案中，尚德采用的是第三种：改变P型掺杂剂，用稼代替硼，让我来看看为啥

　　由于稼在硅中的分凝系数为0.008，远小于硼的0.8，这使得掺稼单晶硅棒的电阻率分布相对掺硼单晶较宽，但对于市场上单晶硅电池要求电阻率为0.5-6欧姆的规格范围，这并不是个问题，现有电池工艺完全可以接受。

　　采用稼替代硼作为P型掺杂剂的优势主要有：

　　1.对现有拉晶设备和工艺无任何影响，仅需将硼掺杂剂改为稼掺杂剂；

　　2.对现有电池制造工艺无任何影响；

　　3.每50千克硅料仅需掺稼1~2克，成本约为10元

　　三、太阳能电池组件生产工艺流程

　　太阳能电池组件生产工艺

　　组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。

　　1.1工艺流程：

　　1、电池检测——2、正面焊接—检验—3、背面串接—检验—4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）——5、层压——6、去毛边（去边、清洗）——7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——8、焊接接线盒——9、高压测试——10、组件测试—外观检验—11、包装入库；

　　1.2工艺简介：

　　在这里只简单的介绍一下工艺的作用，给大家一个感性的认识，具体内容后面再详细介绍：

　　1、电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。

　　2、 正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。(我们公司采用的是手工焊接)

　　3、背面串接：背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。

　　4、层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。

　　5、组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为25分钟。固化温度为150℃。

　　6、修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。

　　7、 装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。

　　8、焊接接线盒：在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。

　　9、高压测试：高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。

　　10、组件测试：测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级