技术篇 科研与实践 太ｉＩＥＩ｜￣电池及太阳模拟器光源硇 计量技术研究 口熊利民孙皓 一、太阳能光伏发电的现状与展望 随着近年来气候变暖、能源紧缺、环境污染等问题 的加重，以及对石油、煤炭、天然气等化石能源逐渐耗尽 的担心，光伏能源的重要性和战略性进一步凸显。人们 对可再生能源的需求日益紧迫 太阳能作为清洁能源的重要形式在全世界得到广泛 应用．占世界总产量４０％（超过４０００ＭＷ．产值近１０００亿） 的光伏组件产自中国．其中９５％对外出口。由于国内光 伏组件量值传递体系没有建立．许多中小企业（目前国 内光伏企业大于４００家以上）的参考标准只能依靠国外 机构的检测，不仅时间周期长（６－９个月）、费用高，而且 由于不同国外机构使用的测试仪器、测试条件不同。使 得测量的偏差较大．量值不统一．产品质量的定级和评 价由国外决定 在太阳能行业．作为测量太阳能组件最大功率的 太阳能组件测试仪．每年全国新增７００台左右（产值２ 亿元人民币），其级别从Ａ级到Ｃ级分为３等，不同级别 组件测试仪直接影响到测量准确度。由于国内没有建 立起相关的标准及相应的计量体系．大量低级别的太 阳能组件测试仪充斥市场：由于该类型设备测量的结 果不可靠、重复性差、可信度不高，导致企业在认知组 件的质量时容易误判．同时在与外商贸易过程中的地 位也处于弱势地位 许多中小企业都只能采取打折的 方式对外销售．这种现象极大地损害了我国光伏行业 的利益 为避免在国际竞争中持续处于被动状态．急需建立 光伏组件及相关仪器计量标准以确保准确计量、量值获 得国际互认．确保行业健康发展。 二、太阳能电池光电转换效率测量方法 １．太阳能电池发电原理及应用特性 晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类．用Ｐ型 ７０ 中国计量Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ２０１ ０．７ 正在主持承担多项科技部项目、国家质检总局科研 项毽。曾获国家质检总局一等奖二项、二等奖一项， 中国计量科学研究院一等奖一项 并被评为２００３ 年国家质检总局岗位能手．２００６年国家质检总局优 秀青年 目前为中国计量科学研究院光学所光通 信与光探测实验室主任 （或Ｎ型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成ＰＮ结制作，生 产技术成熟．是光伏市场上的主导产品。太阳能电池 有两层半导体：一层为正极：一层为负极。阳光照射在 半导体上时．两极交界处产生电流。阳光强度越大，电 流就越强 对于单片太阳能电池．它是一个ＰＮ结，除了当太阳光 照射在上面能够产生电能外。它还具有ＰＮ结的一切特性。 在标准光照条件下．它的输出经典特征曲线如图１所示。 图１中， 为短路电流，，删为峰值电流， 为开路电 压， 为峰值电压， 为峰值功率。 测量不同辐照度ＡＭ１．５下ＩＶ特性曲线，分析可知短 路电流与辐照度读数如表ｌ所示。 从表１中可以看出．尽管太阳模拟器的辐照度在发 生变化．它照射在太阳能电池上产生的短路电流与太阳 模拟器的辐照度之比接近常数．如果这种关系确实是存 图１经典特征曲线 表１ 短路电流Ｊ 太阳模拟器辐照度Ｅ ／Ｅ （ｍＡ） （ｍＷ／ｅｍ ） （Ａ Ｘｍ ／Ｗ） １６３．３２６ ｌ０６ １．５４１Ｅ一０４ １５１．０７９ ９８ １．５４２Ｅ一０４ １４０．４１９５ ９１ １．５４３Ｅ一０４ １２９．２３７ ８４ １．５３９Ｅ一０４ ｌ１８．７１７５ ７７ １．５４２Ｅ一０４ 在的．那么可以通过测量短路电流的大小来获得太阳的 辐照度 通常将短路电流与太阳模拟器的辐照度之比称 为标定值。符号为ＣＶ。 ２．标定值ＣＶ 已知面积为Ｓ的太阳能电池在标准偏置辐射（地面 为１０００Ｗ／ｍ ）下的光谱响应度为 蚍（Ａ），把它放在辐照 度为Ｅ （Ａ）的阳光下，满足标准测试条件时。太阳能电 池本身接收的辐照度为Ｅ ，标准太阳能电池的输出短 路电流为 ，则按照定义标定值ＣＶ为 』 ｓ （Ａ）・ Ｍｎ（Ａ）ｄａ ’Ｅ 』ＥＡＭｎ（Ａ）ｄＡ 这里ＡＭｎ是大气质量符号（如ＡＭ０、ＡＭ１、ＡＭ１．５ 等），随太阳的天顶角变化。如果用太阳模拟器或自然阳 光，必须知道所用辐射源的光谱辐照度分布Ｅ（ａ）．也要 测出相对光谱响应Ｒ （Ａ），进行复杂的光谱失配系数修 正。对不同的Ｅ（Ａ）和 （Ａ）可比性差。而用微分光谱响应 法，只要测量出不同偏置辐射下的绝对光谱响应Ｒ （Ａ）， 根据国家（国际）标准推荐的标准阳光光谱辐照度数据 可计算出不同ＡＭｎ下的ＣＶ值 该方法的缺点是技术难 科研与实践Ｉ』技术篇 度高．在恒定辐射比交变辐射高四五个数量级的条件 下．准确测量交变辐射信号，不但要认真对待小信号 测量．对杂散辐射等光学参数也要小心处理。 ３．太阳能电池光谱响应度Ｒ （Ａ）及Ｃ 值的确定 采用与ＩＥＣ６０９０４—８—１９９８推荐的太阳能电池光谱响 应度测量装置（见图２）。用锁相放大器测量无偏置辐照 度下的标准硅光电二极管和监视探测器的短路输出电流 （Ａ）和 。（Ａ），然后用数字电压表测量被测太阳能电池， 在不同偏置辐照度Ｅ 下的直流输出电流，Ｉ（既），再用锁 相放大器测量该偏置辐照度下同一被测太阳电池和监 视探测器的交变短路输出电流ｉ （Ａ）和ｉ （Ａ），标准硅光电 二极管的绝对光谱响应度 （Ａ）是已知的，因此可得到 不同波长Ａ和不同偏置辐照度 下的被测太阳能电池的 光谱响应度咒［Ａ， （Ｅｈ）］为 Ａ，Ｉｔ（Ｅｂ）Ｊ＝ ‘ 氓 ） 图２光谱响应度测量装置 应用ＩＥＣ／ＴＣ８２推荐的标准阳光光谱辐照度Ｅ （Ａ）， 可计算出不同的偏置辐照度 下被测太阳能电池的积分 光谱响应Ｒ ［，Ｉ（Ｅｂ）］为 Ｒ ［ （Ｅｂ）］＝｛』： 尺 ［Ａ，Ｉｔ（Ｅｂ）］・Ｅ （Ａ）・ｄＡ｝／ （佃 （Ａ）・ｄＡ） 式中：ＡＭｎ是大气质量ｎ．当标定地面用太阳能电池 时，／Ｚ－－１．５，而对空间用太阳能电池，可用ｎ＝０．即太阳光 谱辐照度不同。本课题选用／７，－１．５。 所得到的 ［ （ ）］对波长是积分，但对偏置辐照 度又是微分，因此对偏置辐照度再进行积分： 其中，积分的下限为０或远小于标准辐照度‰下 测得的直流短路电流，０，￣／ｏ＜１０－３／，（ ）时，其误差可 ２０１ ０．７中国计量Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ７１ 技术篇 科研与实践 以忽略不计。积分的上限 （Ｅ ）是可变上限，多次回归 处理，当满足如下条件时得到最终结果 （即标定值 Ｃ ）。 于该光谱在前５个波段都与ＡＭ１．５Ｇ光谱匹配得较好．只 有（９００～ＩＩＯ０）ｎｍ红外波段光谱较高．并且由单晶硅电 池光谱响应度曲线可以得知电池在红外波段的响应较 低，所以不会产生较大影响。因此．必须确定太阳模拟器 的发光光谱和辐照度大小 ４．太阳模拟器的光谱分布对测量结果的影响 在室内测量时．需要用太阳模拟器来代替太阳对 太阳电池片进行模拟照射以获取其光电转换特性 根 据表２中不同类型太阳模拟器的光谱分布．通过计算． 由表３可以看出．不同级别和光谱分布的太阳模拟器 会产生大小不一的偏差．如果不对光源光谱进行测量 通常由光谱失配所引起的短路电流偏差较小．可通 过失配因子 来修正．并且可以理论计算出来 在实际 生产测试中．有两类办法可以减小由光谱失配带来的影 响：（１）选择与被测电池类型相一致或光谱响应度匹配较 好的标准电池或组件进行标定：（２）选择与标准ＡＭ１．５Ｇ 分析．将不能准确评判由于光源的不匹配带来的测量 不确定度 光谱较接近的太阳模拟器进行测试 当测试新型材料的 太阳能电池．若仍没有该类型稳定的标 准电池．需用其他类型的标准电池进行 表２太阳模拟器光谱各波段辐照度占总辐照度的百分比汇总数据 波长范围（ｎｍ） ４００～５００ ５０ｏ～６ｏｏ ６ｏｏ～７０ｏ ７００～８００ ８（）０—９００ ９００一ｌ】００ Ａ级光谱１ Ａ级光谱２ 标定时．则应测量其光谱响应度以及太 阳模拟器光谱分布．通过理论计算得也 光谱失配对其短路电流的影响 ５．太阳模拟器光谱分布测量 ２０．６ １９．６ １９．４ １９．５ ｌ７．２ ｌ７．９ ｌ２．４ ｌ３．１ ｌ５．０ ｌ０．０ ｌ５．５ ｌ９．９ 占 总 Ｂ级光谱１ 辐 照 Ｂ级光谱２ 度 百 Ｂ级光谱３ 分 比 Ｂ级光谱４ ｌ９．２ ｌ９．９ ２５．４ ｌ３．８ １６．８ ２８．３ ｌ８．２ ２０．６ ２２．１ ｌ８．３ ｌ６．６ ｌ９．９ １７．６ １９．４ １８．３ ｌ８．２ １５．８ ｌ３．３ ｌ３．２ ｌ３．８ １Ｏ．３ ｌ２．９．８ ７．９ １０．２２．０ ｌ８．４ ｌ３．６ ２１．９ ２４．４ ｌ５．２ 如图３所示．采用稳流稳压电源．点 ４ 燃已知光谱辐射分布５（Ａ）的标准灯，利 用光谱仪采集（３００～１１０ｏ）ｎｍ的光谱分 布，假定光谱仪采集的光谱分布为Ｒ（Ａ）， 由此可以得到光谱仪修正系数为 Ｃ（Ａ）＝Ｓ（Ａ）／Ｒ（Ａ） ３ ｌ５．５ ｌ３．６ ｌ６．０ Ｃ级光谱１ Ｃ级光谱２ ｌ２．８ ７．３ 表３ 同类型太阳能电池由光源间的光谱失配引起 的短路电流偏差 标准灯 光谱仪 太阳模拟器 标准电池 Ａ级光谱１ Ａ级光谱２ Ｂ级光谱１ Ｂ级光谱２ Ｂ级光谱３ Ｂ级光谱４ Ｃ级光谱１ Ｃ级光谱２ １．４９％ —１．３０％ 一１．６５％ —２．３Ｏ％ —３．１２％ ３．６９％ １．１７％ —４．３９％ 单晶硅１ １．８８％ 一１．２９％ 一１．８６％ 一２．３Ｏ％ 一２．９７％ ４．３３％ １．１６％ 一５．１９％ 单晶硅２ １．４７％ 一０．７４％ 一０．７９％ 一１．９３％ 一２．８９％ ４．０９％ ２．１５％ 一３．５０％ 田 图３太阳模拟器光谱测量量传图 针对太阳模拟器．如果利用光谱仪测得的光谱分布 为Ｅ（Ａ），则太阳模拟器实际光谱分布为 （Ａ）＝Ｅ（Ａ）ｘＣ（／￣） 三、结束语 由表３中的数据可以看出．一般情况下光谱匹配等 级越高．即与标准ＡＭ１．５Ｇ光谱偏离得越小，此时由光源 问光谱失配引起的失配误差也就越小。由于ＩＥＣ６０９０４—９ 对光谱匹配的限制范围很宽，即使是Ａ级光谱，也存在 与ＡＭ１．５Ｇ光谱±２５％的偏离。因此处于同一光谱匹配等 级的光谱．由于其与ＡＭ１．５Ｇ光谱偏离的程度不同，也会 造成不同的失配误差．可由表５中４组Ｂ级光谱数据看出。 太阳光伏领域在迅速发展的同时．也对光伏仪器设 备提出了新的计量需求．只有确保这些检测认证机构的 计量器具、标准器件在源头上量值统一规范，才有可能 保证产品级别的样品量值准确。这使得我们应加强研 究．使之不仅成为增加效率、降低成本、提高质量的科 研、生产、应用必不可少的手段，而且也是成品检验、出 口检查和质量评定的依据 另外还可以看出Ｃ级光谱１的光谱失配误差较小，这是由 ｎａ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ２０１ ０．７ ７２ 中国计量Ｃｈｉ作者单位【中国计量科学研究院】国