太陽模擬器光譜匹配度對光伏器件 關(guān)鍵電參數(shù)測量的影響研究

黎健生 楊愛軍

摘要：近年來，得益于光伏技術(shù)的發(fā)展，光伏器件的光譜響應(yīng)范圍從原來的（400～1100）nm擴展到（300～1200）nm，用于評估太陽模擬器性能的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904也在2020年末推出了第三版，對光譜分布范圍和光譜匹配度均提出了更高要求，這對現(xiàn)有的太陽模擬器的性能形成了更高的挑戰(zhàn)。我國作為光伏產(chǎn)品研發(fā)制造大國，各生產(chǎn)研發(fā)部門、科研機構(gòu)和高校用于光伏器件關(guān)鍵電參數(shù)測量的氙燈太陽模擬器保有量可觀，且基本使用穩(wěn)態(tài)氙燈光源，但當(dāng)中不少設(shè)備已使用多年，因為種種原因光譜匹配度性能衰減明顯。文中研究穩(wěn)態(tài)氙燈模擬器的性能和結(jié)構(gòu)特點，提出了基于調(diào)節(jié)氙燈濾光片透光特性的太陽模擬器光譜匹配度改善方法，一方面可拓寬太陽模擬器的光譜分布范圍，另一方面對拓寬后的光譜輻射的光譜匹配度有明顯改善，避免了該類設(shè)備過早退役，對光伏行業(yè)的降本增效具有重要意義。

關(guān)鍵詞：太陽模擬器;光譜匹配度;關(guān)鍵電參數(shù)

Study on the Influence of Spectral Match of Solar Simulators on the Measurement of Electrical Parameters of Photovoltaic Devices

LI Jian-Sheng1，2，3， YANG Ai-Jun 1

（1 Fujian Metrology Institute ， Fuzhou 350003， Fujian， China）

（2 National PV Industry Measurements and Testing Center， Fuzhou 350003， Fujian， China）

（3 Fujian Key Laboratory of Energy Measurement， Fuzhou 350003， Fujian， China）

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Abstract： In recent years， thanks to the development of photovoltaic technology， the spectral response range of photovoltaic devices has been expanded from the original （400 ～ 1100） nm to （300 ～ 1200） nm. The Standard IEC 60904 for evaluating the performance of solar simulators has also launched the third edition at the end of 2020， which puts forward higher requirements for spectral distribution range and spectral matching， which poses a higher challenge to the performance of existing solar simulators. As a large country in photovoltaic product R & D and manufacturing， China has a considerable number of xenon lamp solar simulators used by various production and R & D departments， scientific research institutions and universities for the measurement of key electrical parameters of photovoltaic devices， and basically use steady-state xenon lamp light sources. However， many of these devices have been used for many years， and the performance of spectral matching has been significantly degraded for various reasons. This paper studies the performance and structural characteristics of the steady-state xenon lamp simulator， and puts forward a method to improve the spectral matching degree of the solar simulator based on adjusting the light transmission characteristics of the xenon lamp filter. On the one hand， it can broaden the spectral distribution range of the solar simulator， on the other hand， it can significantly improve the spectral matching degree of the broadened spectral radiation， avoid the premature retirement of this kind of equipment， and is of great significance to the cost reduction and efficiency increase of the photovoltaic industry.

Key Words： Solar simulator; Spectral match; Key electrical parameters

1概述

隨著光伏行業(yè)對光伏器件的最大發(fā)電功率測量要求的不斷提高，在包括太陽電池或光伏組件的光伏器件關(guān)鍵電性能參數(shù)測量中，太陽模擬器光源的光譜匹配度越來越成為一個不容忽視的因素。一方面在設(shè)備采購選型中，用戶必然重點考核太陽模擬器光源的光譜匹配度是否能達(dá)到IEC60904-9 Ed 3.0[1]中的A級甚至A+級。相比起光源的其他兩個考核指標(biāo)：輻照度均勻性和輻照度穩(wěn)定性，光譜匹配度的提升對測量的影響相對更大，特別針對光伏組件的測量尤為如此。另一方面，光伏器件的電性能參數(shù)測量一般要求具備與被測物光譜響應(yīng)特性基本一致的標(biāo)準(zhǔn)電池，而光譜匹配度的提升將顯著降低對這方面的依賴程度，對各種新型太陽電池和光伏組件的測量具有重要意義。文中通過針對太陽模擬器氙燈光源的光譜分布特性設(shè)計定制高光譜匹配度AM1.5G濾鏡以改善各種太陽模擬器光譜匹配度，之后利用不同類型WPVS標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在不同光譜匹配度的太陽模擬器下進(jìn)行太陽電池和光伏組件測量，研究分析了太陽模擬器光譜匹配度對關(guān)鍵電參數(shù)測量的影響。研究結(jié)果表明，對太陽模擬器光譜匹配度的改善顯著降低了光譜失配因子[2]（Mismatch Factor， MMF），對提高測量準(zhǔn)確度、降低測量操作和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，以及降低對標(biāo)準(zhǔn)電池類型的依賴程度都是有利的。

2 實驗方案

本次實驗方案采用了國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心的組件模擬器（型號Highlight 3 LMT，下文簡稱“組件模擬器”）和太陽電池模擬器（型號YSS-180S，下文簡稱“電池模擬器”），配合不同設(shè)計的AM1.5G濾光片分別形成A級和A+級的光譜匹配度，按照IEC60904-1[3]分別對若干種型號的光伏組件和太陽電池進(jìn)行關(guān)鍵電性能測量，以考核分析不同光譜匹配度對測量結(jié)果的影響。

兩臺模擬器均在2015年裝機使用至今，其中組件模擬器指標(biāo)一直保持為A+級，穩(wěn)定性良好;電池模擬器在常年穩(wěn)態(tài)氙燈的高溫作用下光譜匹配度在（300～470）nm和（657～772）nm為A級，其余波段為A+級。為了考核光譜匹配度對光伏器件關(guān)鍵電參數(shù)測量的影響，根據(jù)電池模擬器氙燈光源的裸燈光譜特性定制了A+級AM1.5G濾鏡。為了在有限代價實現(xiàn)將組件模擬器光譜匹配度降為A級的效果，在市面上采購了與組件模擬器國產(chǎn)氙燈匹配的AM1.5G濾鏡，配合原廠進(jìn)口氙燈使用后將光譜匹配度降低為A級。由此，獲得了兩套太陽模擬器兩種不同光譜匹配度等級的濾鏡，見圖1和圖2。

由圖1可知，組件模擬器的光譜匹配度為A+級，能到達(dá)較好光譜匹配度的原因是氙燈與AM1.5G濾光片的匹配度較好，而且由于瞬態(tài)模擬器對濾光片的長期熱效應(yīng)較小，濾光片的性能衰減較慢。太陽電池穩(wěn)態(tài)太陽模擬器中的AM1.5G濾光片則存在緩慢熱衰減的問題。本次試驗使用的YSS-180S經(jīng)過近6年的使用，光譜匹配度從原來的A+級別衰減到A級，主要表現(xiàn)在（300～470）nm波段的透過率變?nèi)?，而近年來太陽電池性能提升的一個方面恰是紫外和紅外兩端波段的量子效率提升。

試驗中使用到的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池均為Fraunhofer ISE生產(chǎn)，類型為普通單晶和普通多晶。

對光伏組件測量試驗，選用了一片72片規(guī)格普通單晶和一片60片規(guī)格普通多晶光伏組件作為試驗樣品。兩片組件均附有中國計量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)值，以此為實驗的參考值。通過考察組件模擬器使用光譜匹配度等級分別為A和A+級別的濾光片以及采用不同類型WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池情況下光伏組件測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，分析太陽模擬器光譜匹配度改善后光伏組件關(guān)鍵電參數(shù)測量的改善程度以及對WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的依賴程度。太陽電池測量實驗的思路與光伏組件測量試驗一致，使用了兩片帶有Fraunhofer ISE測量值的太陽電池片為實驗樣品。

3實驗部分

3.1 光伏組件測量實驗

組件模擬器所在的實驗室具備恒溫恒濕環(huán)境，兩片光伏組件在測量前均預(yù)先在（25±1）℃、（56±10）%RH環(huán)境下恒溫4小時后進(jìn)行測量。測量時均采用紅外測溫儀測量光伏組件背板溫度，保證不同光譜匹配度條件下組件溫度基本一致。在A+級和A級光譜模擬器照射下，分別使用單晶和多晶WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池作為標(biāo)準(zhǔn)器測量的光伏組件的測量結(jié)果如表1～表4所示。由于光源光譜分布和參考電池測量基本不影響開路電壓Voc的測量，因此不單獨為Voc列出測量偏差。

雖然未能測量光伏組件的光譜響應(yīng)度因而未能進(jìn)行光譜失配修正，但從表2數(shù)據(jù)可以看出，采用光譜匹配度為A+級別的太陽模擬器和同類型WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池測得的結(jié)果與參考值的偏差低于0.3%。保持模擬器A+級別光譜不變情況下，即便采用不同類型的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池測量光伏組件，測量偏差仍低于0.4%。使用A級模擬器和相同類型WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行測量的偏差則為-0.78%～-0.51%，顯示出太陽模擬器光譜匹配度的改善對測量的明顯正面影響。

針對采用如HIT和TOPCon技術(shù)的高效組件，同樣是A+級別的匹配度采用不同類型的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池對功率測量的影響比A級匹配度相對應(yīng)的情況要小得多，更能顯示出光譜匹配度改善帶來的優(yōu)勢。考慮到目前市面上未有使用HIT技術(shù)或TOPCon技術(shù)制備的標(biāo)準(zhǔn)電池，此試驗結(jié)果對提供光伏組件標(biāo)定服務(wù)的實驗室有一定的參考意義，即通過改善模擬器光譜匹配度來彌補標(biāo)準(zhǔn)電池類型缺失帶來的負(fù)面影響，以符合光伏行業(yè)不斷推出的新型組件測量需求，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本和標(biāo)準(zhǔn)器管理成本也更低。

3.2 太陽電池測量試驗

電池測量方面，由于具備大功率溫控平臺，樣品不需要進(jìn)行長時間恒溫，但溫控平臺作用到樣品以產(chǎn)生長時間維持在（25±0.5）℃的效果需要一定時間，所以仍需要注意試驗環(huán)境對樣品的影響以及把握樣品放置在溫控平臺后靜置的時間。與光伏組件試驗一樣，使用兩種光源和標(biāo)準(zhǔn)電池的測量結(jié)果如表3與表4所示。有別于光伏組件測量，絕大部分太陽電池測量實驗室具備太陽電池光譜響應(yīng)度測量能力，可以計算出每次測量的MMF，因此MMF也可以作為評判模擬器光譜匹配度提升后對測量結(jié)果的影響程度。

表3和表4里的功率和電流測量數(shù)據(jù)未進(jìn)行MMF修正，以便更直觀顯示光譜匹配度對測量結(jié)果的影響。從上述數(shù)據(jù)可知，由于模擬器換裝性能更優(yōu)的濾鏡后，光譜匹配度改善明顯，各個波段的光譜失配程度不超過5%，因此MMF較低，在0.1%左右，相對A級光譜的情況則在0.7%～0.9%不等。從圖4可以看出，在A+級光譜分布情況下，（300-400）nm波段以及（780-820）nm波段的光譜輻射照度更高，這對太陽電池的輸出提升是有幫助的，也是此情況下Isc和Pmax測量值更高的主要原因。對于太陽電池研發(fā)和生產(chǎn)機構(gòu)最關(guān)心的轉(zhuǎn)換效率，A+級別光譜下的測量數(shù)據(jù)不超過1個檔位（0.1%），而A級光譜下測得數(shù)據(jù)則偏低2檔左右，負(fù)偏離明顯。

按照IEC 60904-7[6]，MMF的計算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：Eref：AM1.5G參考光譜分布;

Emeas：太陽模擬器的光譜分布;

Ssample：待測樣品的光譜響應(yīng);

Sref：WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)。

4 實驗結(jié)果和討論

實驗結(jié)果表明，模擬器光譜改善對新型太陽電池或光伏組件的測量可產(chǎn)生正面的影響。A+級別光譜匹配度的模擬器下的測量偏差相對A級光譜匹配度情況下明顯更小。由于絕大部分測量機構(gòu)不具備測量光伏組件光譜響應(yīng)度的能力，因而不能計算光譜失配修正因子對測量結(jié)果進(jìn)行修正，因此模擬器A+光譜帶來的第二個好處是可采用常規(guī)的單晶或多晶WPVS作為標(biāo)準(zhǔn)電池即可，降低了定制標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的難度、測量程序的復(fù)雜程度以及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)器管理成本。當(dāng)然，對穩(wěn)態(tài)模擬器而言，建議有條件的用戶定期測量設(shè)備的光譜匹配度，以便判斷光譜變化情況以及更新計算MMF所使用的相應(yīng)數(shù)據(jù)，才能最大程度上保證更好的光譜匹配度帶來更可靠的測量結(jié)果。

需要注意的是，如果太陽模擬器燈管在（300～400）nm波段并未有對應(yīng)波長的光透過，則此方法的提升效果有限。雖然可以利用光譜匹配度評級采用較寬波段范圍的特點，通過為濾鏡鍍增透膜強行提升（400～470）nm波段的光譜輻射照度，使太陽模擬器以達(dá)到A+級別的光譜匹配度，但由于新型光伏產(chǎn)品在（250～400）nm有較高的光譜響應(yīng)度，此舉不能更客觀地反映出新型光伏器件的實際性能提升，因此改善的實際意義有限。

5 結(jié)論

大部分氙燈光源和金屬鹵素?zé)艄庠淳赏ㄟ^測量其未濾光的光譜分布后訂制透過率高度匹配的濾光片，以達(dá)到較好的光譜匹配度，有利于光伏器件的關(guān)鍵電參數(shù)測量。相比起使用TOPCon或HIT技術(shù)的光伏產(chǎn)品，目前國內(nèi)常規(guī)組件和電池產(chǎn)線仍占有較高比例，使用的太陽模擬器一般超過5年，設(shè)備生產(chǎn)時仍未采用IEC 60904-9：2020進(jìn)行評估，光譜匹配度一般只有A級。隨著光伏技術(shù)的快速發(fā)展，新型光伏器件性能提升使得設(shè)備用戶對太陽模擬器的要求也越來越高，以發(fā)揮新型光伏器件的發(fā)電優(yōu)勢，而文中的方法能用較低成本改善太陽模擬器光譜匹配度性能，且已經(jīng)在數(shù)家主流光伏組件生產(chǎn)商處得到成功應(yīng)用，具有較好的實用性，對光伏企業(yè)的降本增效有顯著幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]IEC 60904-9：Ed.3 Photovoltaic devices–Part 9：?Solar simulator performance requirements [S].

[2]IEC 60904-7：2008 Photovoltaic devices–Part 7：?Computation of the spectral mismatch correction?for measurements of photovoltaic devices [S].

[3]IEC 60904-1：2020 Photovoltaic devices–Part 1：?Measurement of photovoltaic current-voltage?characteristics [S].