計(jì)量在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用

熊利民/中國計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

隨著全球能源的緊缺和傳統(tǒng)化石能源消耗帶來的環(huán)境污染以及氣候變暖等問題的加重，人們對可再生能源的需求日益迫切。

10年來，全世界太陽電池及組件生產(chǎn)的年平均增長率是33%，最近5年的年平均增長率更達(dá)到70%。中國在2006年太陽電池的產(chǎn)量達(dá)到369.5MWp，緊隨日本和德國之后，位居世界第三光伏電池生產(chǎn)大國，2007年超過1000MWp，躍居第二。盡管目前太陽能光伏利用成本較高，但是隨著技術(shù)進(jìn)步以及其他能源利用形式的逐漸飽和，預(yù)計(jì)太陽能將在2030年以后成為能源利用的主流形式。

1 現(xiàn)狀

1）國外

根據(jù)2005年第二屆光伏組件電性能測試國際巡回比對報(bào)告，得到10個(gè)機(jī)構(gòu)的有效數(shù)據(jù)，相對偏差約為＋3%～－4%。

2）國內(nèi)

隨著國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，從事光伏產(chǎn)品的檢測單位眾多，所使用的測試儀器很不一致，包括太陽模擬器（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、漫射光、直射光、不同時(shí)域曲線）、組件測試儀（可調(diào)修正系數(shù)的、限制可調(diào)修正系數(shù)的）、標(biāo)準(zhǔn)電池及參考組件（溯源的來源各不相同）在內(nèi)。此外，測試人員參與本行業(yè)時(shí)間短，基礎(chǔ)知識缺乏等，諸多因素導(dǎo)致測量的偏差較大，與采購企業(yè)對組件標(biāo)稱功率的準(zhǔn)確度要求相差甚遠(yuǎn)。

2 太陽光伏測試中的計(jì)量技術(shù)

2.1 太陽模擬器的分類

工業(yè)化的太陽模擬器通常分為兩大類：穩(wěn)態(tài)太陽模擬器和瞬態(tài)（脈沖）太陽模擬器。

穩(wěn)態(tài)太陽模擬器價(jià)格比較昂貴，需要消耗較大的功率，并且容易產(chǎn)生熱量造成溫升。對于太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測試條件（1000 W/m2，25℃，AM1.5光譜分布）來說，雖然需要增加制冷裝置進(jìn)行溫控，但其光源更接近于真實(shí)太陽，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集。

瞬態(tài)太陽模擬器可以按脈沖數(shù)量分為單次脈沖和多次頻閃，也可以按脈沖波形分為衰減式（decaying）和穩(wěn)定式（plateau），如圖1所示。

對于多次頻閃式和衰減式脈沖模擬器來說，其總輻照度波動(dòng)和光譜波動(dòng)都比較大，穩(wěn)定性較差，對太陽電池計(jì)量會產(chǎn)生較大影響。對于單次脈沖式和穩(wěn)定式脈沖模擬器來說，脈沖弛豫時(shí)間平穩(wěn)區(qū)較長的模擬器具有較穩(wěn)定的光譜和輻照度，并且不會消耗過大的功率。由此看來，各種類型的太陽模擬器各有利弊，作為太陽電池測試的關(guān)鍵設(shè)備，如何評定太陽模擬器的等級具有重大的意義。

根據(jù)IEC 60904-9標(biāo)準(zhǔn)要求，太陽模擬器的等級計(jì)量包括三部分：光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度，級別由各個(gè)單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的級別來確定，每個(gè)單項(xiàng)可劃分為A、B、C三個(gè)級別，如表1及圖2、3、4。

表1

圖2 不同模擬器光譜輻射強(qiáng)度曲線

圖3 不同模擬器不均勻度分布

圖4 不同模擬器響應(yīng)時(shí)域曲線

2.2 太陽電池I-V特性的測量

晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩類，用P型（或N型）硅襯底，通過磷（或硼）擴(kuò)散形成PN結(jié)制作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。太陽能電池有兩層半導(dǎo)體，一層為正極，一層為負(fù)極。陽光照射半導(dǎo)體時(shí)，兩極交界處產(chǎn)生電流，陽光強(qiáng)度越大，電流就越大。

單片太陽電池就是一個(gè)PN結(jié)，除了能夠產(chǎn)生電能外，還具有PN結(jié)的一切特性。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，它的輸出經(jīng)典特征曲線如圖5。

圖5 太陽電池電流－電壓特性

因此，在評判太陽電池輸出功率時(shí)，需要配置合適的負(fù)載以找到其最大功率輸出點(diǎn)，此儀器一般稱為IV測試儀。

采用陽光或穩(wěn)態(tài)模擬器，利用可變負(fù)載法或反向偏壓法可對IV測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 太陽電池量子效率及CV值的確定

在規(guī)定的波長上，太陽電池輸出的短路電流與照射到該電池表面的輻照度之比是一常數(shù)，定義為該波長下太陽電池絕對光譜響應(yīng)度（A/W）。

這為我們獲得AM1.5時(shí)一個(gè)太陽常數(shù)（1000 W/m2）的標(biāo)準(zhǔn)輻照度下太陽電池短路電流Isc提供了基礎(chǔ)，公式：

其中R(λ)為相對光譜響應(yīng)度，S(λ)為輻照度譜分度。

由此可知可以通過標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流來確定太陽模擬器的光輻照強(qiáng)度(圖6)。

留意短路電流與太陽模擬器的輻照度之比，發(fā)現(xiàn)接近常數(shù)（表2）。這種關(guān)系確實(shí)是存在的，通常將太陽電池短路電流與太陽模擬器的輻照度之比稱之為標(biāo)定值（CV）。

圖6 太陽電池短路電流計(jì)算示意圖

表2

基于這一原理，目前市場上的太陽模擬器都是通過測量太陽電池短路電流的大小來獲得太陽模擬器輻照度。

此外，太陽電池量子效率計(jì)量方法的研究和降低測量的不確定度對于評價(jià)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率都是至關(guān)重要的。

2.4 總輻射表的應(yīng)用

太陽電池組件的最終應(yīng)用是在戶外進(jìn)行的。因此，在室外評價(jià)太陽輻射強(qiáng)度都采用總輻射表進(jìn)行計(jì)量。

總輻射表用來測量光譜范圍為300 nm ～3000 nm的太陽總輻射，也可用來測量入射到斜面上的太陽輻射。該表根據(jù)熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。在線性范圍內(nèi)，輸出信號與太陽輻照度成正比（圖7）。

圖7 總輻射表典型響應(yīng)曲線

然而，在進(jìn)行太陽電池組件功率測試時(shí)，使用總輻射表會帶來問題。

根據(jù)圖8中ASTM公布的1個(gè)太陽常數(shù)下的光譜輻射強(qiáng)度，發(fā)射光譜范圍：280 nm ～4000 nm，總輻射強(qiáng)度1000 W/m2。其中在280 nm～ 1000 nm波段范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度約為850 W/m2，在400 nm～1000 nm波段輻射強(qiáng)度約為760 W/m2。

圖8 ASTM公布的AM1.5G光譜輻射強(qiáng)度

對于太陽模擬器發(fā)射光譜范圍，當(dāng)調(diào)整其總輻射強(qiáng)度為1000 W/m2時(shí)，400 nm～1000 nm份額卻是未知的，導(dǎo)致的結(jié)果是太陽電池組件得到的最大功率其實(shí)也是未知的。

此外總輻射表的響應(yīng)時(shí)間為秒級，靈敏度低。

因此，在利用太陽模擬器進(jìn)行太陽電池組件功率測試時(shí)，不宜采用總輻射表進(jìn)行測量。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池

測量太陽電池組件功率時(shí)，一般采用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池來對光強(qiáng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)電池應(yīng)至少具備以下特點(diǎn)：

1）準(zhǔn)確和完整的光譜響應(yīng)度、IV特性數(shù)據(jù)，包括：標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)定值CV(mA·mW-1·cm2)、標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流Isc(mA)、標(biāo)準(zhǔn)條件下的開路電壓Voc(mV)、短路電流的溫度系數(shù)α(mA·℃-1)、開路電壓的溫度系數(shù)β(mV·℃-1)、電流最大值Imax(mA)、電壓最大值Vmax(mV)、功率最大值Pmax(mW)、填充因子FF及相對光譜響應(yīng)Sr；

2）抗輻照玻璃保護(hù)；

3）全密封式真空封裝；

4）鉑電阻測溫，水冷控溫；

5）透明性好，折射系數(shù)與組件相近。

3 結(jié)束語

太陽光伏領(lǐng)域迅速發(fā)展的同時(shí)，也對光伏儀器設(shè)備提出了新的計(jì)量需求，只有將這些檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)的計(jì)量器具、標(biāo)準(zhǔn)器件在源頭上使其量值統(tǒng)一規(guī)范，才有可能保證產(chǎn)品級別的樣品量值準(zhǔn)確。這就要求我們必須加強(qiáng)研究，不僅要提供增加效率、降低成本、提高質(zhì)量的手段，而且能作為成品檢驗(yàn)、出口檢查和質(zhì)量評定的依據(jù)。

[1]C Droz, J Roux, S Boutinard Rouelle, et al.Mastering the spectrum in class A pulsed solar simulators[C]//23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference.Valencia, Spain, September, 2008.

[2]R Galleano, E D Dunlop, D Halton.Comparison of pulsed solar simulator spectra in use at ESTI[C]//Renewable Energies-Institute for Environment and Sustainability-European Commission.Italy.