光譜失配誤差對(duì)光伏組件測(cè)試的影響研究

文/劉胡煒 孟 曹寅

光譜失配誤差對(duì)光伏組件測(cè)試的影響研究

光伏組件測(cè)試中，太陽(yáng)模擬器的光譜輻照度分布、光伏組件的光譜響應(yīng)度、PN結(jié)溫度等是影響測(cè)試結(jié)果的主要因素。本文從太陽(yáng)模擬器光譜失配誤差產(chǎn)生的原因出發(fā)，研究了光譜失配誤差的理論處理方法，并使用脈沖模擬器對(duì)單晶硅、非晶硅光伏組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，給出了減小或修正光譜失配誤差對(duì)光伏組件測(cè)試結(jié)果影響的措施建議。

光譜失配誤差 光譜輻照度分布 光譜響應(yīng)度

一、光譜失配誤差產(chǎn)生的原因

太陽(yáng)的輻射光譜具有很寬的頻域，由于大氣中的氣體分子、水蒸氣、灰塵等對(duì)某些波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射具有散射或吸收，致使太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣層后到達(dá)地球表面的輻射分布出現(xiàn)較大的變化。為了描述這種輻射改變，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義了大氣質(zhì)量（AM），AM1.5表示通過(guò)1.5個(gè)大氣層厚度后太陽(yáng)輻射，當(dāng)太陽(yáng)光照射到地球表面時(shí)，由于大氣層與地表景物的散射、折射的因素，會(huì)多增加20%的太陽(yáng)光入射量，稱(chēng)之為擴(kuò)散部分，包含擴(kuò)散部分太陽(yáng)光能量的光譜分布為AM1.5G（見(jiàn)圖1），不包含的為AM1.5D。標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜輻照度分布是總輻射太陽(yáng)光（包括直射和散射），相應(yīng)于AM1.5光譜分布，在與水平面成37°角的傾斜面上輻照度為1 000 W·m-2，地面反射率為0.2，氣象條件為：大氣中水含量為1.42 cm，大氣中臭氧含量為0.34 cm，混濁度為0.27（0.5 μm處）。

圖1 AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜分布

現(xiàn)實(shí)生活中，太陽(yáng)輻射會(huì)隨著時(shí)間、地理位置和季節(jié)等因素的變化而變化，光伏組件在自然太陽(yáng)光下測(cè)量所得曲線數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性和可比性較差，并且會(huì)對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率監(jiān)控產(chǎn)生偏差，因此通常光伏組件測(cè)試使用太陽(yáng)模擬器在室內(nèi)進(jìn)行。太陽(yáng)模擬器可以提供近似標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，其與標(biāo)準(zhǔn)光源的匹配程度會(huì)大大影響光伏組件的測(cè)試結(jié)果。太陽(yáng)模擬器常用光源（氙燈、鏑鎢燈、碘鎢燈等）的光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)光譜分布有一定的差異，因此為了精確測(cè)試結(jié)果，人們不斷地對(duì)太陽(yáng)模擬器進(jìn)行硬件改進(jìn)以減小誤差，如改換濾波片以調(diào)整光譜透過(guò)率等辦法。但是硬件方法成本太高，并且只能使其較為接近標(biāo)準(zhǔn)光譜分布，無(wú)法消除影響。

太陽(yáng)模擬器等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)有IEC 60904-9-2007《太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)》、GB 6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽(yáng)模擬器性能要求》和ASTM E927-2010《陸地光電試驗(yàn)用陽(yáng)光模擬裝置的規(guī)格》等，主要包含3個(gè)技術(shù)指標(biāo)：光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度。本文主要研究光譜匹配度對(duì)光伏組件測(cè)試的誤差影響及其理論處理方法。太陽(yáng)模擬器的光譜匹配是指：在每個(gè)光譜波段內(nèi)，總輻射照度占整個(gè)有效波段內(nèi)總輻射度的百分比與AM1.5條件下，光譜輻照度分布百分比之間的偏差。此偏差必須控制在一定的范圍內(nèi)，例如A級(jí)太陽(yáng)模擬器的光譜匹配度需控制在0.75～1.25之間（見(jiàn)表1）。

表1 模擬器等級(jí)分類(lèi)

二、光譜失配誤差分析方法

目前，常用參考標(biāo)準(zhǔn)組件短路電流密度法來(lái)分析光譜失配誤差，它是一種標(biāo)準(zhǔn)組件和測(cè)試組件之間參數(shù)傳遞的方法。首先，必須獲得標(biāo)準(zhǔn)組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流密度；然后，將標(biāo)準(zhǔn)組件置于太陽(yáng)模擬器下測(cè)試，經(jīng)調(diào)整太陽(yáng)模擬器的輻射功率使其短路電流密度值與標(biāo)定值相同；最后，將測(cè)試組件在調(diào)整后的太陽(yáng)模擬器下進(jìn)行測(cè)試，可獲得測(cè)試組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流密度值。此種方法的使用前提是標(biāo)準(zhǔn)組件與測(cè)試組件的光譜響應(yīng)一致，只考慮太陽(yáng)模擬器的光譜失配對(duì)短路電流密度的誤差影響。另外，也可以通過(guò)理論處理方法獲取短路電流密度的誤差：

短路電流密度法理論計(jì)算光譜失配誤差，涉及4個(gè)因子：標(biāo)準(zhǔn)光伏組件的光譜響應(yīng)、測(cè)試光伏組件的光譜響應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布AM1.5G、太陽(yáng)模擬器光譜輻照度分布。失配因子通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)光伏組件和測(cè)試樣品的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)模擬器的光譜輻照度分布和標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布AM1.5的積分獲得，計(jì)算公式為（2）：

假定標(biāo)準(zhǔn)光伏組件與測(cè)試組件的光譜響應(yīng)度基本一致，僅考慮太陽(yáng)模擬器光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)光譜分布AM1.5G的光譜失配造成的誤差影響。光譜相對(duì)誤差計(jì)算公式為（3）：

從公式（3）中可以看出，只要獲得各類(lèi)型光伏組件的光譜響應(yīng)度、太陽(yáng)模擬器的光譜分布以及AM1.5光譜分布，即可分析光譜失配對(duì)短路電流密度結(jié)果的影響。

三、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)用太陽(yáng)模擬器（上海質(zhì)檢院設(shè)備）為瑞士PASAN公司生產(chǎn)的SUNSIM 3BM脈沖模擬器。測(cè)試樣品包括單晶硅和非晶硅兩種類(lèi)型的光伏組件，受光面積為4 cm2。采用以上理論處理方法，分析脈沖模擬器的光譜失配對(duì)光伏組件短路電流密度的影響。

用光譜分析儀和光譜輻照度計(jì)對(duì)SUNSIM 3BM脈沖模擬器進(jìn)行光譜分布測(cè)試，脈沖模擬器與AM1.5G的光譜分布對(duì)比曲線見(jiàn)圖2，圖2中數(shù)據(jù)按照1 000 W·m-2的總輻照度進(jìn)行歸一化。

本試驗(yàn)用模擬器光脈沖穩(wěn)定性在-1%～1%之間，產(chǎn)品等級(jí)優(yōu)于IEC 60904-9-2007中規(guī)定的A級(jí)。下表2為SUNSIM 3BM脈沖模擬器與AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光譜在1 000 W·m-2輻照度下的光譜匹配度。表2中可以看出該模擬器在波段400～500 nm、800～1 100 nm光譜偏離稍大，而在500～800 nm的可見(jiàn)光波段，光譜匹配度較高。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)模擬器的光譜失配誤差影響與波段分布有關(guān)，在誤差修正的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮波段分布的差異性。

表2 脈沖模擬器與AM1.5G光譜匹配度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6495.8－2002《光伏器件第8部分：光伏器件光譜響應(yīng)的測(cè)量》/IEC 60904-8《光伏器件光譜響應(yīng)的測(cè)量》要求，對(duì)單晶硅和非晶硅進(jìn)行光譜響應(yīng)度的測(cè)量。圖3為單晶硅在350～1 100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相對(duì)光譜響應(yīng)度，圖4為非晶硅在300～1 200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相對(duì)光譜響應(yīng)度。從圖3、圖4中可以看出，單晶硅幾乎可對(duì)350～1 100 nm全波段響應(yīng)，峰值集中在950 nm附近，而非晶硅響應(yīng)波段為300～700 nm，主要為可見(jiàn)波，峰值集中在550 nm附近。由此可以看出，不同類(lèi)型的光伏組件由于生產(chǎn)工藝不同，其光譜響應(yīng)度不完全相同。因此，在做模擬器輻照度分布標(biāo)定過(guò)程中，應(yīng)選用與測(cè)試樣品同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)組件，減小不同類(lèi)型光伏組件的光譜響應(yīng)度失配造成的短路電流密度誤差。

圖2 脈沖模擬器與AM1.5G光譜分布對(duì)比曲線

圖3 單晶硅的光譜響應(yīng)度

圖4 非晶硅的光譜響應(yīng)度

根據(jù)短路電流密度法或理論處理方法，依據(jù)公式（1），由AM1.5G光譜分布、脈沖模擬器光譜分布以及光伏組件的光譜響應(yīng)度數(shù)據(jù)，可以理論計(jì)算出不同類(lèi)型光伏組件在不同光譜輻照度分布下的短路電流密度，由此可進(jìn)一步分析光譜失配對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。表3為典型光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)光譜分布與模擬器光譜分布條件下的短路電流密度結(jié)果。表3中AM1.5G列為理論計(jì)算的結(jié)果真值，而另兩列為修正前與修正后的結(jié)果對(duì)比。表中顯示使用修正前短路電流密度測(cè)試結(jié)果偏離真值較大。通過(guò)公式（3）的理論誤差修正方法，利用標(biāo)準(zhǔn)組件標(biāo)定脈沖模擬器，修正測(cè)試結(jié)果，標(biāo)定修正后的短路電流密度更加接近真值。

表3 光伏組件在不同光譜條件下的短路電流密度

由表1、表2和圖2中的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，本次太陽(yáng)模擬器SUNSIM 3BM的光譜匹配程度是優(yōu)于A級(jí)模擬器的，光譜在各波段特別是500～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的偏離程度較小。即使是如此良好狀況的太陽(yáng)模擬器，從表4中可以看出，光譜失配仍然能夠?qū)η€結(jié)果產(chǎn)生誤差影響，并且脈沖模擬器的光譜失配對(duì)模擬器非晶硅的誤差影響大于單晶硅。這主要是由于模擬器非晶硅光譜響應(yīng)為300～700 nm的可見(jiàn)波段，此波段只占總輻照分布的部分，總體影響較大，因此會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型光伏組件在同一太陽(yáng)模擬器的光譜失配中產(chǎn)生不同的誤差結(jié)果。

表4 不同類(lèi)型光伏組件的光譜失配誤差（%）

四、結(jié)束語(yǔ)

在光伏組件測(cè)試中，光譜失配可以引起短路電流密度誤差，其誤差范圍主要由兩個(gè)因子決定：太陽(yáng)模擬器光譜分布與標(biāo)準(zhǔn)光譜AM1.5G分布的匹配程度以及標(biāo)準(zhǔn)組件與測(cè)試組件的光譜響應(yīng)度的一致性。因此，為了盡量減小光譜失配誤差對(duì)光伏組件測(cè)試帶來(lái)的影響，首先應(yīng)選擇與測(cè)試電池類(lèi)型一致的或光譜響應(yīng)度類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)電池來(lái)對(duì)太陽(yáng)模擬器輻照度分布進(jìn)行標(biāo)定，以減小光譜失配誤差影響。其次，選擇與標(biāo)準(zhǔn)光譜AM1.5G光譜匹配度高的太陽(yáng)模擬器進(jìn)行測(cè)試，并且可用理論數(shù)據(jù)處理方法獲得失配因子，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。最后，若新型光伏組件無(wú)對(duì)應(yīng)類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)組件標(biāo)定，可通過(guò)測(cè)量組件的光譜響應(yīng)度和太陽(yáng)模擬器的光譜分布，根據(jù)以上理論處理方法計(jì)算光譜失配誤差，可修正結(jié)果值。

In the testing of photovoltaic(PV)modules,spectral irradiance distribution of solar simulator,spectral response of PV modules,and PN junction temperature are the main factors affecting the test results.From the reasons of solar simulator spectral mismatch error,the article studied the theoretical processing methods of spectral mismatch error,followed by experimental analysis to test monocrystalline silicon and simulator's,amorphous silicon on PV modules using a pulse simulator.Finally,the article gives advices to reduce or correct the spectral mismatch error.

Spectral mismatch error;Spectral irradiance distribution;Spectral response

（作者單位：上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）