计量在太阳能光伏产业上的应用

熊利民/中国计量科学研究院

0 引言

随着全球能源的紧缺和传统化石能源消耗带来的环境污染以及气候变暖等问题的加重，人们对可再生能源的需求日益迫切。

10年来，全世界太阳电池及组件生产的年平均增长率是33%，最近5年的年平均增长率更达到70%。中国在2006年太阳电池的产量达到369.5MWp，紧随日本和德国之后，位居世界第三光伏电池生产大国，2007年超过1000MWp，跃居第二。尽管目前太阳能光伏利用成本较高，但是随着技术进步以及其他能源利用形式的逐渐饱和，预计太阳能将在2030年以后成为能源利用的主流形式。

1 现状

1）国外

根据2005年第二届光伏组件电性能测试国际巡回比对报告，得到10个机构的有效数据，相对偏差约为＋3%～－4%。

2）国内

随着国内光伏产业的迅猛发展，从事光伏产品的检测单位众多，所使用的测试仪器很不一致，包括太阳模拟器（稳态、瞬态、漫射光、直射光、不同时域曲线）、组件测试仪（可调修正系数的、限制可调修正系数的）、标准电池及参考组件（溯源的来源各不相同）在内。此外，测试人员参与本行业时间短，基础知识缺乏等，诸多因素导致测量的偏差较大，与采购企业对组件标称功率的准确度要求相差甚远。

2 太阳光伏测试中的计量技术

2.1 太阳模拟器的分类

工业化的太阳模拟器通常分为两大类：稳态太阳模拟器和瞬态（脉冲）太阳模拟器。

稳态太阳模拟器价格比较昂贵，需要消耗较大的功率，并且容易产生热量造成温升。对于太阳电池标准测试条件（1000 W/m2，25℃，AM1.5光谱分布）来说，虽然需要增加制冷装置进行温控，但其光源更接近于真实太阳，数据可实时采集。

瞬态太阳模拟器可以按脉冲数量分为单次脉冲和多次频闪，也可以按脉冲波形分为衰减式（decaying）和稳定式（plateau），如图1所示。

对于多次频闪式和衰减式脉冲模拟器来说，其总辐照度波动和光谱波动都比较大，稳定性较差，对太阳电池计量会产生较大影响。对于单次脉冲式和稳定式脉冲模拟器来说，脉冲弛豫时间平稳区较长的模拟器具有较稳定的光谱和辐照度，并且不会消耗过大的功率。由此看来，各种类型的太阳模拟器各有利弊，作为太阳电池测试的关键设备，如何评定太阳模拟器的等级具有重大的意义。

根据IEC 60904-9标准要求，太阳模拟器的等级计量包括三部分：光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度，级别由各个单项技术指标的级别来确定，每个单项可划分为A、B、C三个级别，如表1及图2、3、4。

表1

图2 不同模拟器光谱辐射强度曲线

图3 不同模拟器不均匀度分布

图4 不同模拟器响应时域曲线

2.2 太阳电池I-V特性的测量

晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两类，用P型（或N型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成PN结制作，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。太阳能电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。阳光照射半导体时，两极交界处产生电流，阳光强度越大，电流就越大。

单片太阳电池就是一个PN结，除了能够产生电能外，还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的输出经典特征曲线如图5。

图5 太阳电池电流－电压特性

因此，在评判太阳电池输出功率时，需要配置合适的负载以找到其最大功率输出点，此仪器一般称为IV测试仪。

采用阳光或稳态模拟器，利用可变负载法或反向偏压法可对IV测试仪进行校准。

2.3 太阳电池量子效率及CV值的确定

在规定的波长上，太阳电池输出的短路电流与照射到该电池表面的辐照度之比是一常数，定义为该波长下太阳电池绝对光谱响应度（A/W）。

这为我们获得AM1.5时一个太阳常数（1000 W/m2）的标准辐照度下太阳电池短路电流Isc提供了基础，公式：

其中R(λ)为相对光谱响应度，S(λ)为辐照度谱分度。

由此可知可以通过标准太阳电池的短路电流来确定太阳模拟器的光辐照强度(图6)。

留意短路电流与太阳模拟器的辐照度之比，发现接近常数（表2）。这种关系确实是存在的，通常将太阳电池短路电流与太阳模拟器的辐照度之比称之为标定值（CV）。

图6 太阳电池短路电流计算示意图

表2

基于这一原理，目前市场上的太阳模拟器都是通过测量太阳电池短路电流的大小来获得太阳模拟器辐照度。

此外，太阳电池量子效率计量方法的研究和降低测量的不确定度对于评价太阳电池光电转换效率都是至关重要的。

2.4 总辐射表的应用

太阳电池组件的最终应用是在户外进行的。因此，在室外评价太阳辐射强度都采用总辐射表进行计量。

总辐射表用来测量光谱范围为300 nm ～3000 nm的太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射。该表根据热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比（图7）。

图7 总辐射表典型响应曲线

然而，在进行太阳电池组件功率测试时，使用总辐射表会带来问题。

根据图8中ASTM公布的1个太阳常数下的光谱辐射强度，发射光谱范围：280 nm ～4000 nm，总辐射强度1000 W/m2。其中在280 nm～ 1000 nm波段范围内辐射强度约为850 W/m2，在400 nm～1000 nm波段辐射强度约为760 W/m2。

图8 ASTM公布的AM1.5G光谱辐射强度

对于太阳模拟器发射光谱范围，当调整其总辐射强度为1000 W/m2时，400 nm～1000 nm份额却是未知的，导致的结果是太阳电池组件得到的最大功率其实也是未知的。

此外总辐射表的响应时间为秒级，灵敏度低。

因此，在利用太阳模拟器进行太阳电池组件功率测试时，不宜采用总辐射表进行测量。

2.5 标准太阳电池

测量太阳电池组件功率时，一般采用标准太阳电池来对光强进行标定。标准电池应至少具备以下特点：

1）准确和完整的光谱响应度、IV特性数据，包括：标准条件下的标定值CV(mA·mW-1·cm2)、标准条件下的短路电流Isc(mA)、标准条件下的开路电压Voc(mV)、短路电流的温度系数α(mA·℃-1)、开路电压的温度系数β(mV·℃-1)、电流最大值Imax(mA)、电压最大值Vmax(mV)、功率最大值Pmax(mW)、填充因子FF及相对光谱响应Sr；

2）抗辐照玻璃保护；

3）全密封式真空封装；

4）铂电阻测温，水冷控温；

5）透明性好，折射系数与组件相近。

3 结束语

太阳光伏领域迅速发展的同时，也对光伏仪器设备提出了新的计量需求，只有将这些检测认证机构的计量器具、标准器件在源头上使其量值统一规范，才有可能保证产品级别的样品量值准确。这就要求我们必须加强研究，不仅要提供增加效率、降低成本、提高质量的手段，而且能作为成品检验、出口检查和质量评定的依据。

[1]C Droz, J Roux, S Boutinard Rouelle, et al.Mastering the spectrum in class A pulsed solar simulators[C]//23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference.Valencia, Spain, September, 2008.

[2]R Galleano, E D Dunlop, D Halton.Comparison of pulsed solar simulator spectra in use at ESTI[C]//Renewable Energies-Institute for Environment and Sustainability-European Commission.Italy.