薄膜光伏組件在不同光譜分布下的測試差異

林榮超 董雙麗 曾嬋娟 李升 戴穗

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廣東省佛山市 528300）

近年來，盡管薄膜光伏組件市場占有率下降，但圍繞鈣鈦礦（Perovskite）薄膜技術(shù)的研究卻掀起了一股熱潮，德國海姆霍茲柏林材料所(HZB)開發(fā)的鈣鈦礦-硅疊層電池更是達(dá)到了29.15%的轉(zhuǎn)換效率[1]?，F(xiàn)階段鈣鈦礦電池仍處于研發(fā)階段，量產(chǎn)的薄膜光伏組件以非晶硅（α-Si）、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）三種為主。與晶體硅光伏組件相比，薄膜光伏組件在光譜響應(yīng)方面往往具有顯著差異，同時由于材料和工藝的不同，不同技術(shù)路線薄膜組件之間的光譜響應(yīng)差異較明顯，這給實驗室測試帶來了較大困難。首先，實驗室配備的參考電池往往難以覆蓋所有種類的薄膜光伏組件；其次，實驗室即使有同類型參考電池但兩者間的光譜響應(yīng)仍可能存在不小差異。因此，為了準(zhǔn)確測試薄膜組件的電流-電壓（I-V）特性，十分有必要在測試前進(jìn)行光譜失配修正。

本文通過測試α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種具有代表性的薄膜光伏組件的光譜響應(yīng)曲線，以單晶硅WPVS電池作為參考電池的光譜響應(yīng)，計算它們在兩種太陽模擬器不同光譜分布下的光譜失配情況。從光譜失配角度，對這四種薄膜光伏組件測試結(jié)果之間的差異進(jìn)行分析。

1 光譜失配因子的計算方法

在光伏組件I-V測試中，太陽模擬器常用的光源是氙燈，部分太陽模擬器也會采用金屬鹵素?zé)?、LED燈等。太陽模擬器與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜[2]的匹配程度一般分為A/B/C三個等級，光譜匹配度越高則表明其光譜分布越接近標(biāo)準(zhǔn)光譜，測試結(jié)果的光譜失配越小。太陽模擬器與標(biāo)準(zhǔn)光譜的光譜分布差異，以及待測樣品與參考電池間的光譜響應(yīng)差異，兩者共同構(gòu)成了光譜失配。IEC60904-7標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定，使用光譜失配因子（SMM）表示光譜失配大小，計算公式如式（1）所示：

Eref(λ)為標(biāo)準(zhǔn)光譜分布；

Emeas(λ)為自然光/太陽模擬器實測光譜分布；

Sref(λ)為參考電池的光譜響應(yīng)；

SDUT(λ)為待測樣品的光譜響應(yīng)。

對待測樣品而言，光譜失配因子并非用于修正I-V測試結(jié)果，而是用于修正太陽模擬器的輻照度基準(zhǔn)，此時輻照度相當(dāng)于與標(biāo)準(zhǔn)光譜一致。光譜失配因子SMM的倒數(shù)1/SMM，代表了輻照度基準(zhǔn)需要修正的比例。若SMM>1，表示輻照度需要下調(diào); 若SMM<1，表示輻照度需要上調(diào)；若SMM=1，則表示輻照度與標(biāo)準(zhǔn)光譜一致，不存在光譜失配。

使用公式（1）計算時，實驗室需提前獲得標(biāo)準(zhǔn)光譜和模擬器的光譜分布，以及參考電池和待測樣品的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)。其中，標(biāo)準(zhǔn)光譜分布可視為常數(shù)，其數(shù)值由標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-3[2]定義，模擬器的光譜分布、參考電池和待測樣品的光譜響應(yīng)則需要通過測試獲得。一般而言，太陽模擬器的光譜分布、參考電池的光譜響應(yīng)可由計量報告中獲得，待測樣品的光譜響應(yīng)則需要使用光譜響應(yīng)測試儀或量子效率測試系統(tǒng)測量得到。

2 測試結(jié)果與分析

為了比較不同光譜下薄膜光伏組件的光譜失配差異，實驗選擇了兩臺光譜分布差異較大的太陽模擬器，它們的光源各不相同，一臺是光譜匹配度A級的氙燈太陽模擬器，另一臺是B級的金屬鹵素?zé)籼柲M器，它們在1000W/m2輻照度下的光譜分布與AM1.5光譜的對比圖如圖1、圖2所示。

因A級模擬器的光譜匹配度較高，從圖1可見其光譜300~1200nm范圍內(nèi)與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜十分接近，僅在800nm波段附近波動較大。而B級模擬器光譜匹配度相對較差，因此光譜范圍內(nèi)各個波段與標(biāo)準(zhǔn)光譜的差異較為顯著。從光譜分布差異可初步推斷，同一種薄膜組件在A級光譜下的失配將小于在B級光譜下，下面通過實驗與計算來證明這一推斷。

實驗以單晶硅WPVS電池作為參考電池，選擇α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種薄膜光伏組件并在300~1200nm范圍內(nèi)對它們進(jìn)行了光譜響應(yīng)測試，光譜響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，四種薄膜組件之間的光譜響應(yīng)差異較大，CIGS與單晶硅光譜響應(yīng)十分相似，響應(yīng)波段覆蓋了300~1200nm，其它三種薄膜組件的響應(yīng)波段均在900nm以內(nèi)。這四種薄膜組件在不同光譜分布下，它們之間光譜響應(yīng)的差異如何體現(xiàn)到I-V測試結(jié)果的偏差上，則需要計算光譜失配因子來進(jìn)行分析。綜合以上數(shù)據(jù)，我們分別計算了它們在不同模擬器光譜下的光譜失配因子，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的結(jié)果可以做以下幾點分析：

（1）四種薄膜組件在A級光譜下的光譜失配均小于B級光譜，B級模擬器平均失配偏差7.0%而A級模擬器平均2.1%；模擬器光譜匹配度相差一個等級，光譜失配帶來的測試結(jié)果偏差相差約三倍，實驗室應(yīng)盡量選擇等級高的模擬器以減小光譜失配。

（2）所有樣品中以CIGS的光譜失配偏差最小，在A級模擬器下測試的光譜失配偏差僅0.2%，皆因其光譜響應(yīng)與單晶硅接近，所以實驗室應(yīng)盡量選擇與待測樣品光譜響應(yīng)一致的參考電池以減小光譜失配。

（3）α-Si、CdTe和Perovskite組件均存在顯著的光譜失配，這是由它們與單晶硅光譜響應(yīng)差異較大導(dǎo)致，以α-Si組件為例，在A級模擬器下的最大偏差為3.8%，B級模擬器為12.4%；若不進(jìn)行光譜失配修正，假若組件最大功率200瓦，則意味著僅光譜失配帶來的測試偏差就高達(dá)25瓦；若缺少光譜響應(yīng)一致的參考電池，計算并進(jìn)行光譜失配修正非常有必要。

表1：薄膜光伏組件在不同模擬器光譜下的光譜失配因子

（4）就測試結(jié)果而言，同種薄膜組件在不同模擬器下測試，并不代表其測試偏差會同時偏高或同時偏低。恰恰相反，表1結(jié)果顯示這四種薄膜組件在A級模擬器下功率測試偏高的，在B級模擬器則功率偏低，反之亦然；因此，若缺少光譜失配因子計算，組件測試結(jié)果偏高還是偏低根本無法評估。

圖1：A級模擬器光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜分布對比

圖2：B級模擬器光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜分布對比

圖3：α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite薄膜組件與WPVS單晶硅電池光譜響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

以α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種薄膜光伏組件為例的實驗與計算表明，在薄膜光伏組件的I-V測試中，不同光譜分布太陽模擬器下的光譜失配較為顯著，為減小測試誤差，計算并進(jìn)行光譜失配修正非常有必要。以α-Si組件為例，在A級、B級模擬器下的光譜失配偏差分別為3.8%、12.4%，若不進(jìn)行光譜失配修正會帶來巨大的測試誤差。從減小光譜失配的角度，建議實驗室首先應(yīng)選擇與AM1.5光譜匹配度高的模擬器；其次，盡量選擇與待測樣品光譜響應(yīng)一致的參考電池；此外，若缺少參考電池或者缺少待測樣品光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，可考慮使用同類型組件的光譜響應(yīng)經(jīng)驗值來評估其光譜失配偏差，否則對于不同光譜分布的太陽模擬器，組件測試結(jié)果偏高還是偏低根本無法評估。