基于光纖光譜儀的太陽模擬器光譜分布測(cè)量的問題研究

黎健生 ，楊愛軍 ，羅海燕

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，福建 福州 350003）

1 緒論

光伏行業(yè)使用太陽模擬器產(chǎn)生模擬太陽光對(duì)光伏器件進(jìn)行照射，配合電子負(fù)載和源表等設(shè)備可測(cè)得光伏器件的最大發(fā)電功率、短路電流、開路電壓等關(guān)鍵電參數(shù)。而光伏產(chǎn)品又是基于發(fā)電功率計(jì)價(jià)的，因此太陽模擬器是光伏行業(yè)里的關(guān)鍵設(shè)備之一。太陽模擬器光源部分的評(píng)估，依據(jù)的是IEC 60904-9[1]，涵蓋了光譜匹配度、輻照度不均勻度和輻照度不穩(wěn)定度三個(gè)部分，其中光譜匹配度的測(cè)量評(píng)估普遍使用光纖光譜儀進(jìn)行。光纖光譜儀使用光纖耦合入光口和感光器件，內(nèi)部一般采用Czerny-Tunner結(jié)構(gòu)，入射光線經(jīng)過衍射光柵分光投影到CCD探測(cè)器上進(jìn)行光譜輻射照度測(cè)量[2]。

新版的IEC 60904-9 Ed3.0預(yù)計(jì)在2019年底發(fā)布，針對(duì)光譜匹配度的要求進(jìn)行了較大改動(dòng)，主要體現(xiàn)在評(píng)估的光譜分布范圍從（400～1100）nm擴(kuò)展到（300～1200）nm。此外增加了A+級(jí)別，要求匹配度范圍為（-1.125～1.125），比原有的A級(jí)要求嚴(yán)格一倍[3]。因此在新標(biāo)準(zhǔn)的背景下，太陽模擬器的光譜分布測(cè)量顯得更為重要，且對(duì)測(cè)量設(shè)備和操作要求更嚴(yán)格。在使用光纖光譜儀測(cè)量太陽模擬器光譜分布的過程中，光纖光譜儀各波段響應(yīng)線性度、光譜儀測(cè)量參數(shù)設(shè)定以及同一型號(hào)不同光譜儀的測(cè)量一致性都是需要慎重考慮的問題，否則將影響后續(xù)的光伏器件的電性能測(cè)量和光譜失配計(jì)算等操作[4][5]。文中將上述這些方面對(duì)最終測(cè)量結(jié)果的影響通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行量化分析，可為相關(guān)從業(yè)人員在設(shè)備評(píng)估和測(cè)量提供有益的參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 光譜儀響應(yīng)線性度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中的光源使用高穩(wěn)定度穩(wěn)態(tài)太陽模擬器。實(shí)驗(yàn)過程中，將模擬器初始輻照度設(shè)定為1000W/m2， 以此為基礎(chǔ)疊加不同衰減比率的網(wǎng)格狀衰減片，由此實(shí)現(xiàn)以1000 W/m2為基礎(chǔ)，（10～95）%透過比例的各種輻照強(qiáng)度，即100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、950W/m2、1000W/m2。實(shí)驗(yàn)中被考核的光譜儀型號(hào)為Avasolar-1，廣泛用于光伏行業(yè)中太陽模擬器的光譜匹配度測(cè)量，具有很高的代表性。光譜儀在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。由于調(diào)節(jié)輻照度通過插入物理網(wǎng)格狀衰減片實(shí)現(xiàn)，不改變模擬器氙燈的功率，因此不改變太陽模擬器的光譜分布。而通過測(cè)量不同輻照強(qiáng)度但光譜分布恒定的光源，可以考核光譜儀光伏輻照度測(cè)量值關(guān)于輻照強(qiáng)度變化的線性度如何[4]。

僅從圖1看來，在10%～95%透光的情況下光譜輻射照度測(cè)量的強(qiáng)度變化似乎是合理的，但這樣看不到細(xì)微處的變化趨勢(shì)，因此下面抽出一部分特征波長(zhǎng)（光譜儀做波長(zhǎng)準(zhǔn)確度定標(biāo)時(shí)所用的波長(zhǎng)以及接近100nm倍數(shù)的整數(shù)波長(zhǎng)）的光譜輻射照度關(guān)于無衰減（100%）條件下歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行考察?？梢钥吹奖?中灰底的波長(zhǎng)測(cè)量值的線性度是不夠好的，某些測(cè)量值的偏差超過了3%。而在821.5nm這個(gè)波長(zhǎng)上，基本上在各個(gè)衰減檔位上均偏差嚴(yán)重，表現(xiàn)為CCD傳感器在該處過早達(dá)到飽和狀態(tài)，在輻照度比較弱的400W/m2就已經(jīng)達(dá)到了100%的信號(hào)輸出，之后隨光強(qiáng)的增加而不再改變。

表1 在不同輻照度下各個(gè)特征波長(zhǎng)的測(cè)量值

圖1 不同輻照度下測(cè)得的太陽模擬器光譜分布

在表2中，筆者分別計(jì)算了各個(gè)輻照度下的模擬器光譜匹配度結(jié)果，由于光譜儀的線性度問題，隨著輻照度的減弱，（300～400）nm波段逐漸往負(fù)匹配方向變化，700nm往后波段逐漸往正匹配方向變化。雖然整體評(píng)級(jí)結(jié)果基本不變，但測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)偏差還是明顯的。

表2 在不同輻照度下測(cè)得太陽模擬器光譜匹配度

2.2 光譜儀測(cè)量參數(shù)設(shè)定對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)

由于太陽模擬器的光源類型和照射形式多樣，在使用光譜儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須根據(jù)光源類型以及發(fā)光特性對(duì)光譜儀的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。光譜儀的測(cè)量設(shè)定參數(shù)一般至少包含延遲時(shí)間、積分時(shí)間和平均次數(shù)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬器和瞬態(tài)模擬器來說，均對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響的參數(shù)是積分時(shí)間，關(guān)系到光譜儀探測(cè)器是否工作在低信噪比狀態(tài)、量子效率最優(yōu)狀態(tài)或飽和狀態(tài)。延遲時(shí)間的設(shè)定則對(duì)瞬態(tài)模擬器的測(cè)量尤為重要，不當(dāng)設(shè)置可能會(huì)測(cè)量到脈沖光的上升沿、下降沿甚至錯(cuò)過脈沖。平均次數(shù)的設(shè)定則影響到瞬態(tài)模擬器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性或穩(wěn)態(tài)模擬器測(cè)量的重復(fù)性。由于光伏產(chǎn)業(yè)主要使用瞬態(tài)太陽模擬器，下面就瞬態(tài)太陽模擬器的測(cè)量作為主要測(cè)量對(duì)象。

2.2.1 延遲時(shí)間設(shè)定對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過設(shè)定延遲時(shí)間100uS、200uS、500uS、1mS、8mS和10mS的不同設(shè)定，對(duì)一臺(tái)Pasan Highligh3瞬態(tài)模擬器進(jìn)行光譜分布測(cè)量，以考察不同延遲時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)前，筆者通過標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和示波器測(cè)得模擬器閃光特性參數(shù)為上升沿持續(xù)時(shí)間約為0.6mS，平臺(tái)期為10.2mS，下降沿為0.8mS。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，光譜儀的積分時(shí)間和平均次數(shù)均維持不變，設(shè)定為3mS和1（次）。

圖2 不同延遲時(shí)間下測(cè)得的太陽模擬器光譜分布

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，觸發(fā)延時(shí)100uS、200uS到500uS時(shí)，測(cè)量時(shí)機(jī)太早，均測(cè)到模擬器閃光脈沖的上升沿，這個(gè)階段的輻照度偏低。觸發(fā)延時(shí)1mS時(shí)，開始測(cè)量時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了閃光平臺(tái)期，積分時(shí)間3mS的設(shè)定保證了測(cè)量終止時(shí)間不超過閃光平臺(tái)期，因此測(cè)得光譜分布數(shù)據(jù)是正常的，積分輻照度約為996W/m2，基本符合1000W/m2。觸發(fā)延時(shí)在8mS和10mS時(shí)，已經(jīng)測(cè)量到閃光脈沖的下降沿，因此總體輻照度偏弱，且（800～1100）nm波段的占比偏強(qiáng)，（400～500）nm波段占比變?nèi)??？傮w看來，不同的觸發(fā)延時(shí)對(duì)太陽模擬器的評(píng)級(jí)結(jié)果影響有限，但在觸發(fā)時(shí)間不合適的設(shè)定下測(cè)得的光譜分布圖的強(qiáng)度與AM1.5參考光譜偏差明顯，可知測(cè)量有誤，不可使用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬器光譜匹配度評(píng)級(jí)計(jì)算。

由此可見，在測(cè)量前應(yīng)充分了解被測(cè)模擬器的閃光特性，特別是平臺(tái)期的起止時(shí)間，以此為依據(jù)設(shè)定光譜儀的延遲時(shí)間以及后面提到的積分時(shí)間和平均次數(shù)，保證光譜儀的觸發(fā)處于閃光的平臺(tái)期內(nèi)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確可靠。

表3 在不同觸發(fā)延時(shí)設(shè)定下測(cè)得同一太陽模擬器光譜匹配度

2.2.2 積分時(shí)間設(shè)定對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)

對(duì)于瞬態(tài)模擬器來說，積分時(shí)間的設(shè)定影響到兩個(gè)方面，一是積分時(shí)間是否過長(zhǎng)以致光譜儀的傳感器飽和，二是積分時(shí)間是否過短以致無法保證弱光條件下的信噪比足夠高。同樣為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，光譜儀的延遲時(shí)間和平均次數(shù)均維持不變，設(shè)定為1mS和1（次）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)一臺(tái)halm長(zhǎng)脈沖太陽模擬器（脈沖平臺(tái)時(shí)間105mS）進(jìn)行積分時(shí)間分別為1ms、3mS、5mS、7mS、9mS、10mS、15mS、20mS的測(cè)量，以考核積分時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖3 不同積分時(shí)間下光譜輻射照度的差異

從圖3可以看出1mS積分時(shí)間的測(cè)量結(jié)果（深藍(lán)色曲線）由于傳感器的感光不足而導(dǎo)致信號(hào)偏弱，而且由于信噪比也偏低曲線毛刺較多，但總體不影響模擬器評(píng)級(jí)結(jié)果。從圖3最上方的幾條重合曲線可以看出，3mS的積分時(shí)間開始，一直到9mS的設(shè)定，測(cè)量結(jié)果基本高度一致。10mS積分時(shí)間設(shè)定開始讓測(cè)量曲線在500nm～650nm處有了部分下陷，證明負(fù)責(zé)測(cè)量這部分波段的傳感器開始飽和，而且根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的模擬器評(píng)級(jí)開始產(chǎn)生偏差。15mS和20mS的積分時(shí)間設(shè)定讓測(cè)量曲線凹陷更加明顯，測(cè)量結(jié)果不可用，模擬器評(píng)級(jí)出現(xiàn)重大偏差。

表4 在不同積分時(shí)間設(shè)定下測(cè)得同一太陽模擬器光譜匹配度

2.2.3 平均次數(shù)設(shè)定對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)

平均次數(shù)的設(shè)定，和積分時(shí)間設(shè)定共同對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，特別是對(duì)瞬態(tài)太陽模擬器。由于光譜儀返回一次測(cè)量結(jié)果所需的時(shí)間大致為：

由于Tint×n一般遠(yuǎn)大于Tdelay，因此在Tint設(shè)置合理的情況下，平均次數(shù)n將是影響整體測(cè)量時(shí)間的關(guān)鍵，如n太大導(dǎo)致Tall太長(zhǎng)會(huì)對(duì)最終測(cè)量結(jié)果引入閃光下降沿測(cè)量結(jié)果以及閃光過后測(cè)得的暗噪聲信號(hào)，產(chǎn)生的影響類似于積分時(shí)間Tint太長(zhǎng)的情況。如n太小或n=1，則只返回一次測(cè)量結(jié)果，測(cè)量重復(fù)性差，且與光譜儀校準(zhǔn)時(shí)設(shè)定的n=10的狀態(tài)相差太遠(yuǎn)。

2.3 兩臺(tái)同一型號(hào)光譜儀測(cè)量結(jié)果一致性的考察

這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)Avasolar-1光譜儀同時(shí)對(duì)一臺(tái)穩(wěn)態(tài)太陽模擬器進(jìn)行測(cè)量，所有測(cè)量參數(shù)均設(shè)置一致，以考核同一型號(hào)的兩臺(tái)設(shè)備之間的測(cè)量差異。兩臺(tái)設(shè)備均為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。從圖4可以看出，兩臺(tái)光譜儀測(cè)量得到的光譜曲線基本一致，只是在550nm～600nm波段有差異，為了更直觀評(píng)估測(cè)量結(jié)果，在表5展示出根據(jù)兩臺(tái)光譜儀測(cè)量結(jié)果計(jì)算的模擬器光譜匹配度評(píng)級(jí)結(jié)果，最大的相對(duì)偏差出現(xiàn)在900nm往后波段。由于兩臺(tái)光譜儀的型號(hào)配置和校準(zhǔn)單位均一樣，唯一差別只在于校準(zhǔn)時(shí)間上相差約6個(gè)月，可能導(dǎo)致校準(zhǔn)后由于出差運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度不一致而產(chǎn)生測(cè)量差異，通常這種差異最可能產(chǎn)生在運(yùn)輸包裝對(duì)光纖本體及兩端接口的影響。目前IEC60904-9對(duì)模擬器光譜匹配度A級(jí)要求為±25%，0.035的匹配度偏差在大部分情況下不會(huì)產(chǎn)生等級(jí)評(píng)判上的差異，但鑒于將要發(fā)布的IEC 60904-9 Ed3.0標(biāo)準(zhǔn)增加了光譜匹配度的A+級(jí)別，評(píng)判等級(jí)要求比A級(jí)嚴(yán)格一倍，這樣就對(duì)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)不同設(shè)備之間的一致性提出了更嚴(yán)苛的要求。

圖4 兩臺(tái)同一型號(hào)光譜儀同時(shí)測(cè)量一臺(tái)太陽模擬器

表5 兩臺(tái)光譜儀測(cè)量同一臺(tái)太陽模擬器光譜匹配度的差異

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

在光譜儀響應(yīng)線性度實(shí)驗(yàn)上，可以看到實(shí)驗(yàn)用光譜儀在某些波長(zhǎng)響應(yīng)度上線性不理想，然而這種現(xiàn)象在使用光譜儀對(duì)太陽模擬器進(jìn)行常規(guī)測(cè)量過程中很難發(fā)現(xiàn)，特別是并不會(huì)明顯體現(xiàn)在太陽模擬器光譜匹配度的評(píng)級(jí)測(cè)量結(jié)果上。但如果線性度不佳的波長(zhǎng)集中在某一個(gè)波段，則將會(huì)對(duì)太陽模擬器光譜匹配度評(píng)級(jí)結(jié)果帶來明顯影響。此外，如果采用線性度有問題的光譜儀對(duì)氙燈進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行氙燈濾光片的開發(fā)，則容易導(dǎo)致濾光片設(shè)計(jì)偏差，最終成品性能差強(qiáng)人意。在設(shè)備周檢或期間核查時(shí)增加光譜儀對(duì)同一光源不同輻照度下的光譜輻射照度測(cè)量可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備響應(yīng)線性度是否有問題。

在光譜儀測(cè)量參數(shù)設(shè)定對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)上，可以看到延遲時(shí)間、積分時(shí)間和平均次數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響。針對(duì)穩(wěn)態(tài)太陽模擬器的測(cè)量，應(yīng)在正常測(cè)量前多嘗試不同積分時(shí)間的設(shè)置以保證獲得最優(yōu)設(shè)置，在足夠信噪比的基礎(chǔ)上，保證光譜儀的響應(yīng)在各個(gè)波長(zhǎng)上均不飽和。在測(cè)量瞬態(tài)太陽模擬器時(shí)，重要注意事項(xiàng)有：（1）首先要清楚了解其脈沖上升沿、平臺(tái)期和下降沿的確切時(shí)間參數(shù)；（2）設(shè)定好光譜儀的延遲時(shí)間略微大于上升沿時(shí)間，保證測(cè)量起始點(diǎn)的正確；（3）按照信噪比足夠且光譜儀不飽和的原則設(shè)定光譜儀的積分時(shí)間；（4）按照公式（1）的關(guān)系，合理設(shè)置平均次數(shù)。上述事項(xiàng)是一個(gè)有機(jī)整體，缺一不可，如忽略任一事項(xiàng)，均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。

在不同光譜儀測(cè)量一致性的實(shí)驗(yàn)中，筆者比較了兩臺(tái)同一型號(hào)、采用同一溯源機(jī)構(gòu)的光譜儀同時(shí)對(duì)一個(gè)光源進(jìn)行測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩臺(tái)設(shè)備在大部分波段的測(cè)量一致性較好，而在（900～1100）nm波段有超過3%的差異。按現(xiàn)行IEC60904-9標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太陽模擬器最嚴(yán)苛的A級(jí)光譜的要求，偏差范圍為±25%，因此3%的設(shè)備差異在大部分情況下不會(huì)引起模擬器評(píng)級(jí)上的差別。新版IEC60904標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，增加的A+級(jí)別則將光譜偏差范圍縮小到±12.5%，擁有多臺(tái)光譜儀的測(cè)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將要足夠重視設(shè)備一致性帶來的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

文中利用國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心具備各種類型的太陽模擬器、多臺(tái)進(jìn)口光纖光譜儀，以及福建省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科研基金支持研發(fā)的“高速光譜儀”進(jìn)行了基于光譜儀法測(cè)量太陽模擬器光譜匹配度的輻照度線性度實(shí)驗(yàn)、不同測(cè)量參數(shù)對(duì)光譜分布測(cè)量影響的評(píng)估實(shí)驗(yàn)，以及兩臺(tái)同一型號(hào)光譜儀對(duì)同一臺(tái)太陽模擬器測(cè)量之間的偏差實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果分析，以及相關(guān)的測(cè)量建議，對(duì)光伏行業(yè)太陽模擬器光譜匹配度測(cè)量和評(píng)估提供了依據(jù)，可避免因人為設(shè)置因素和設(shè)備自身原因造成重大評(píng)估偏差，以致產(chǎn)生進(jìn)一步的生產(chǎn)損失和設(shè)備損耗。