太陽(yáng)光模擬器光譜對(duì)光伏組件I-V 特性測(cè)試的影響分析

陳昊旻，朱冰潔

(無(wú)錫市檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證研究院，無(wú)錫 214000)

0 引言

自2015 年發(fā)射極鈍化和背面接觸(PERC)光伏組件面向光伏市場(chǎng)并逐漸取代傳統(tǒng)鋁背場(chǎng)光伏組件以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，PERC 光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率已接近理論極限，提升速度緩慢，在此情況下，生產(chǎn)廠家開(kāi)始將目光投向異質(zhì)結(jié)(HJT)、全背電極接觸(IBC)、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)等光電轉(zhuǎn)換效率更高的光伏組件[1-3]。由于光伏組件類型不同，其光譜響應(yīng)能力也不同，導(dǎo)致進(jìn)行光伏組件I-V特性測(cè)試時(shí)使用的太陽(yáng)光模擬器存在光譜失配的情況[4]，影響測(cè)試結(jié)果。

基于此，本文選取3 臺(tái)以氙燈作為光源的不同品牌的太陽(yáng)光模擬器，分別測(cè)試其光譜輻照度，并采用這3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器分別測(cè)試市場(chǎng)上常見(jiàn)類型光伏組件的光譜響應(yīng)特性，然后通過(guò)計(jì)算光譜失配因子來(lái)分析評(píng)估太陽(yáng)光模擬器光譜對(duì)光伏組件I-V特性測(cè)試的影響。

1 太陽(yáng)光模擬器光譜

IEC 60904-9: 2020《Photovoltaic devices——Part 9: Classification of solar simulator characteristics》[5]可用于評(píng)價(jià)太陽(yáng)光模擬器性能，其在AM1.5 下評(píng)價(jià)太陽(yáng)光模擬器光譜時(shí)用到的參數(shù)包括光譜匹配度、光譜覆蓋率(SPC)和光譜偏離率(SPD)。其中，光譜匹配度為各波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)太陽(yáng)光模擬器光譜的輻照度占比與相應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜(AM1.5G)的輻照度占比的比值，是評(píng)價(jià)太陽(yáng)光模擬器光譜的主要指標(biāo)。而SPC 和SPD 主要用于反映光譜匹配度無(wú)法體現(xiàn)的偏差。

目前，太陽(yáng)光模擬器主要采用3 種光源，分別為鹵素?zé)?、氙燈及LED 燈。其中，鹵素?zé)艄庾V與AM1.5G 差異較大，其主要用于光伏組件的光致衰減、熱斑、溫升等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，而不用于I-V特性測(cè)試。氙燈光譜與AM1.5G 較為接近，是目前太陽(yáng)光模擬器采用的主流光源。LED 燈作為瞬態(tài)太陽(yáng)光模擬器光源時(shí)，具有脈沖時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在消除高容性光伏組件電容效應(yīng)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。LED 燈光譜由光照模塊中的多個(gè)LED 燈實(shí)現(xiàn)，當(dāng)模塊中的LED 燈數(shù)量較少時(shí)，光譜匹配度較低，而LED 燈數(shù)量較多時(shí)，雖然光譜匹配度較高，但因?yàn)槭遣贿B續(xù)光譜，仍舊與AM1.5G存在較大差異；同時(shí)其成本較高，目前仍在發(fā)展中，還未成為主流光源。

為分析太陽(yáng)光模擬器光譜對(duì)光伏組件I-V特性測(cè)試的影響，選擇3 臺(tái)目前主流的不同品牌太陽(yáng)光模擬器，均采用氙燈作為光源，分別命名為模擬器A、模擬器B 和模擬器C，使用光纖光譜儀測(cè)試其在300～1200 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜輻照度，測(cè)得的光譜輻照度曲線如圖1 所示。

圖1 3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的光譜輻照度曲線Fig. 1 Spectral irradiance curves of three solar simulators

根據(jù)IEC 60904-9:2020 的要求，將圖1 中3臺(tái)太陽(yáng)光模擬器測(cè)得的光譜輻照度結(jié)果按照波長(zhǎng)分為6 個(gè)區(qū)間，波長(zhǎng)區(qū)間分別為300～470、470～561、561 ～657、657 ～772、772 ～919、919 ～1200 nm，然后對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的光譜輻照度進(jìn)行積分，并將積分結(jié)果除以300～1200 nm 波長(zhǎng)區(qū)間的總光譜輻照度，得到每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的光譜輻照度占比；將6 個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間的光譜輻照度占比分別與IEC 60904-3:2019《Photovoltaic devices—— Part 3:Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data》[6]中AM1.5G 相同波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的輻照度占比進(jìn)行比較，得到3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器各自的光譜匹配度，具體如表1 所示。

表1 3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的光譜匹配度Table 1 Spectral matching degree of three solar simulators

光譜匹配度由高到低一共分為4 個(gè)等級(jí)，分別為A+、A、B、C。相對(duì)于AM1.5G，不同等級(jí)光譜匹配度對(duì)應(yīng)的數(shù)值區(qū)間分別為不超過(guò)87.5%～112.5%、75.0%～125.0%、60.0%～140.0%、40.0%～200.0%，模擬器各波長(zhǎng)區(qū)間光譜匹配度相對(duì)于AM1.5G 偏離最大值處于哪個(gè)等級(jí)區(qū)間，就判定模擬器光譜匹配度為對(duì)應(yīng)等級(jí)。因此，3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的光譜匹配度均為A+級(jí)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 光譜失配因子

由于太陽(yáng)光模擬器光譜對(duì)光伏組件I-V特性測(cè)試結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在光譜失配方面，當(dāng)光譜失配因子(SMM)大于1 時(shí)，表明測(cè)試結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值偏高；當(dāng)光譜失配因子小于1 時(shí)，表明測(cè)試結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值偏低。因此，本文通過(guò)計(jì)算光譜失配因子，根據(jù)其大小和測(cè)試不同類型光伏組件時(shí)其值變化范圍等方面，來(lái)分析太陽(yáng)光模擬器光譜對(duì)光伏組件I-V特性測(cè)試的影響。采用WPVS 單晶硅參考太陽(yáng)電池作為參考器件[7]，以目前市場(chǎng)上主流的PERC 光伏組件、HJT 光伏組件和TOPCon 光伏組件作為測(cè)試樣品，使用量子效率測(cè)量?jī)x分別測(cè)試這3 種光伏組件和1 個(gè)參考器件(下文統(tǒng)稱為“光伏器件”)的光譜響應(yīng)情況，并進(jìn)行歸一化。4 種光伏器件歸一化后的光譜響應(yīng)曲線如圖2 所示。

圖2 4 種光伏器件歸一化后的光譜響應(yīng)曲線Fig. 2 Normalized spectral response curves of four PV devices

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)：4 種光伏器件在300 nm處開(kāi)始光譜響應(yīng)，然后光譜響應(yīng)不斷增強(qiáng)，在900～1000 nm 附近達(dá)到峰值，然后快速下降，在1200 nm 處趨于零。

IEC 60904-7:2019《Photovoltaic devices——Part 7: Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices》[8]中光譜失配因子的計(jì)算式可表示為：

式中：Eref(λ)為參考光譜在特定波長(zhǎng)λ下的輻照度；Emea(λ)為測(cè)試所用光源在特定波長(zhǎng)λ下的光譜輻照度；Sref(λ)為參考器件在特定波長(zhǎng)λ下的光譜響應(yīng)率；SDUT(λ)為被測(cè)光伏組件在特定波長(zhǎng)λ下的光譜響應(yīng)率。

結(jié)合式(1)得到的計(jì)算結(jié)果，采用3 種太陽(yáng)光模擬器時(shí)4 種光伏器件的光譜失配因子如表2所示。

表2 采用3 種太陽(yáng)光模擬器時(shí)不同類型光伏器件的光譜失配因子Table 2 Spectral mismatch factors of different types of PV devices when using three solar simulators

從表2 可以看出：即使3 種太陽(yáng)光模擬器光譜匹配度都達(dá)到了A+級(jí)，但因?yàn)閰⒖计骷c3種光伏組件光譜響應(yīng)存在差異，導(dǎo)致在測(cè)試3 種光伏組件I-V特性時(shí)仍存在最大0.68%的偏差。因此，若不能采用與測(cè)試樣品具有相同光譜響應(yīng)的參考器件，需要考慮光譜失配對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響。

2.2 光譜分布的影響

光譜匹配度是評(píng)價(jià)太陽(yáng)光模擬器光譜分布的主要指標(biāo)。雖然實(shí)驗(yàn)中使用的3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器光譜匹配度均為A+級(jí)，但從表2 可以看出：相對(duì)于參考器件，使用模擬器A 測(cè)試時(shí)，PERC、HJT、TOPCon 3 種光伏組件的光譜失配因子均大于1；使用模擬器B、C 測(cè)試時(shí)，3 種光伏組件的光譜失配因子均小于1。3 臺(tái)光譜匹配度等級(jí)相同的太陽(yáng)光模擬器，其光譜失配因子卻并不相同，這是因?yàn)椋?)由于太陽(yáng)光模擬器的光譜輻照度占比偏差存在正負(fù)值，±12.5%以內(nèi)均可評(píng)價(jià)為A+級(jí)，然而正負(fù)偏差會(huì)影響光譜失配因子的結(jié)果；2)雖然評(píng)價(jià)光譜匹配度等級(jí)時(shí)是將每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的光譜輻照度進(jìn)行積分后通過(guò)計(jì)算得到的，但每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間仍然較寬，在每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)存在多個(gè)尖峰和低谷，互相補(bǔ)償，使不同波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的太陽(yáng)光模擬器光譜輻照度占比接近，但尖峰和低谷的數(shù)量、大小和位置卻存在差異，這種差異也會(huì)影響光譜失配因子的結(jié)果。因此，光譜匹配度等級(jí)只能總體評(píng)估太陽(yáng)光模擬器光譜與AM1.5G 的匹配程度，卻無(wú)法決定光譜失配因子的大小。

結(jié)合圖1、圖2 可以發(fā)現(xiàn)：在600～950 nm波段模擬器A 的總光譜輻照度弱于模擬器B 和C 的總光譜輻照度，而在960～1200 nm 波段模擬器A 的總光譜輻照度強(qiáng)于模擬器B 和C 的總光譜輻照度；并且在600～950 nm 波段3 種光伏組件的光譜響應(yīng)弱于參考器件的光譜響應(yīng)，在960～1200 nm 波段3 種光伏組件的光譜響應(yīng)強(qiáng)于參考器件的光譜響應(yīng)。相對(duì)于參考器件的光譜響應(yīng)，在測(cè)試樣品光譜響應(yīng)更弱處，模擬器A的光譜輻照度低于模擬器B 和C 的光譜輻照度；在測(cè)試樣品光譜響應(yīng)更強(qiáng)處，模擬器A 的光譜輻照度高于模擬器B 和C 的值。因此，模擬器A 的光譜失配因子大于模擬器B 和C 的光譜失配因子。綜上，模擬器A 的光譜失配因子大于1。由此可見(jiàn)，光譜失配因子的大小由參考器件光譜響應(yīng)和測(cè)試樣品光譜響應(yīng)差異處的光譜分布決定。

2.3 SPC 的影響

SPC 的計(jì)算式可表示為：

式中：CSP為太陽(yáng)光模擬器的SPC；ESIM(λ)為太陽(yáng)光模擬器在特定波長(zhǎng)λ下的光譜輻照度；EAM1.5(λ)為AM1.5G 在特定波長(zhǎng)λ下的輻照度；Δλ為波長(zhǎng)間隔。

根據(jù)式(2)計(jì)算得到3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的SPC，具體如表3 所示。

表3 3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的SPCTable 3 SPC of three solar simulators

由表3 可知：3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的SPC 為100%或接近100%。這主要是因?yàn)椋琒PC 主要用于評(píng)估太陽(yáng)光模擬器光譜在300～1200 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的覆蓋程度，由于3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器均是以氙燈作為光源，氙燈光譜連續(xù)光譜且與AM1.5G 較為接近；而A+級(jí)是光譜匹配度的最高等級(jí)，此等級(jí)的光譜分布與AM1.5G 十分接近。因此，當(dāng)太陽(yáng)光模擬器光源為氙燈且光譜匹配度等級(jí)為A+時(shí)，其SPC 通常接近100%。

2.4 SPD 的影響

SPD 的計(jì)算式為：

式中：DSP為太陽(yáng)光模擬器的SPD。

根據(jù)式(3)計(jì)算得到3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的SPD，具體如表4 所示。

表4 3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的SPDTable 4 SPD of three solar simulators

由表4 可知：雖然3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的光譜匹配度均為A+級(jí)，但模擬器A 的SPD 卻最低，為 15.09%，明顯優(yōu)于模擬器B 和C 的SPD。這是因?yàn)樵?00～1200 nm 波段內(nèi)，模擬器A 的光譜輻照度曲線與AM1.5G 的更為接近，而模擬器B 和C 的光譜輻照度曲線存在較多的尖峰和低谷，且尖峰較高，低谷較深，因此導(dǎo)致這3 臺(tái)太陽(yáng)光模擬器的光譜匹配度雖然較為接近，且均為A+級(jí)，但模擬器A 的SPD 卻明顯優(yōu)于模擬器B和C 的SPD。

SPD 可用于評(píng)估太陽(yáng)光模擬器光譜與AM1.5G 的實(shí)際偏離程度。不同于光譜匹配度，光譜匹配度可能會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)一部分光譜輻照度強(qiáng)于AM1.5G 的輻照度，一部分弱于AM1.5G 的輻照度而導(dǎo)致整個(gè)光譜匹配度接近100%；而SPD 是太陽(yáng)光模擬器每個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)光譜輻照度與AM1.5G 輻照度相對(duì)偏差的絕對(duì)值之和，SPD 可能會(huì)大于100%，當(dāng)SPD 等于零時(shí)，光譜輻照度曲線必定與AM1.5G 的輻照度曲線完全一致。

結(jié)合表2、表4 可看出：模擬器A 的光譜失配因子范圍為1.0000～1.0021，極差為0.0021，明顯優(yōu)于模擬器B(光譜失配因子范圍為1.0000～0.9950，極差為0.0050)和模擬器C(光譜失配因子范圍為1.0000～0.9932，極差為0.0068)的值。模擬器A 的SPD 明顯優(yōu)于模擬器B 和模擬器C的值，同時(shí)光譜失配因子的極差也明顯小于模擬器B 和模擬器C 的值，與預(yù)期相符。但模擬器C 的SPD 略小于模擬器B 的值，光譜失配因子極差卻略大于模擬器B 的值。

模擬器B 的光譜輻照度與AM1.5G 的輻照度偏差主要是因?yàn)樵?00～350 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)模擬器B 幾乎無(wú)光譜輻照度，而在680～1000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)卻存在多個(gè)尖峰和低谷，且在1000～1100 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在一個(gè)長(zhǎng)低谷。而模擬器C 的光譜輻照度與AM1.5G 的輻照度偏差主要是因?yàn)樵?80～1000 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)模擬器C 存在多個(gè)尖峰和低谷，且在 1000～1100 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在一個(gè)長(zhǎng)低谷。模擬器B 和C 的光譜輻照度曲線在1000～1100 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)低谷較為接近。雖然模擬器B 在300～350 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎無(wú)光譜輻照度，但是此處光伏組件的光譜響應(yīng)也很弱，對(duì)光譜失配因子的影響相對(duì)較??；而在680～1000 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，雖然模擬器B 和C 都存在多個(gè)尖峰和低谷，但模擬器C 的尖峰要明顯高于模擬器B 的，而且此波長(zhǎng)范圍內(nèi)光伏組件光譜響應(yīng)較強(qiáng)，因此雖然模擬器B 的SPD 略大于模擬器C 的值，但是光譜失配因子變化范圍小于模擬器C 的值。

綜上可知，當(dāng)太陽(yáng)光模擬器光譜SPD 較小時(shí)，通常測(cè)試不同類型光伏組件的光譜失配因子差距較小時(shí)，光伏組件I-V特性測(cè)試結(jié)果的偏差也就較小。此規(guī)律在兩臺(tái)模擬器SPD 差距較大或SPD 值均很小時(shí)較為明顯，但若是兩臺(tái)模擬器SPD 較為接近或SPD 值均很大時(shí)，則需要根據(jù)實(shí)際的光譜輻照度曲線進(jìn)行具體分析。

3 結(jié)論

本文從光譜匹配度、SPC 和SPD 的角度對(duì)3臺(tái)太陽(yáng)光模擬器光譜進(jìn)行了分析，并結(jié)合目前市場(chǎng)上主流的PERC、HJT、TOPCon 3 種類型光伏組件的光譜響應(yīng)特性，通過(guò)計(jì)算光譜失配因子來(lái)分析光譜對(duì)光伏組件I-V特性測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果顯示：

1)光伏組件I-V特性測(cè)試結(jié)果偏高或偏低與光譜匹配度等級(jí)無(wú)關(guān)，而是由參考器件光譜響應(yīng)和測(cè)試樣品光譜響應(yīng)差異處的光譜分布決定。

2)通常，A+級(jí)光譜匹配度的太陽(yáng)光模擬器SPC 接近100%，在光譜匹配度等級(jí)一致時(shí)，使用SPD 較小的太陽(yáng)光模擬器測(cè)試光伏組件I-V特性，得到的結(jié)果偏差更小。

3)目前A+級(jí)為太陽(yáng)光模擬器光譜匹配度的最高等級(jí)，但因?yàn)閰⒖计骷c3 種測(cè)試樣品的光譜響應(yīng)存在差異，導(dǎo)致在測(cè)試樣品的I-V特性時(shí)仍存在最大0.68%的偏差。因此，為更準(zhǔn)確測(cè)試光伏組件的I-V特性，推薦使用與樣品具有相同光譜響應(yīng)的參考器件，或進(jìn)行光譜失配修正。