薄膜光伏组件在不同光谱分布下的测试差异

林荣超 董双丽 曾婵娟 李升 戴穗

（广东产品质量监督检验研究院 广东省佛山市 528300）

近年来，尽管薄膜光伏组件市场占有率下降，但围绕钙钛矿（Perovskite）薄膜技术的研究却掀起了一股热潮，德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)开发的钙钛矿-硅叠层电池更是达到了29.15%的转换效率[1]。现阶段钙钛矿电池仍处于研发阶段，量产的薄膜光伏组件以非晶硅（α-Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）三种为主。与晶体硅光伏组件相比，薄膜光伏组件在光谱响应方面往往具有显著差异，同时由于材料和工艺的不同，不同技术路线薄膜组件之间的光谱响应差异较明显，这给实验室测试带来了较大困难。首先，实验室配备的参考电池往往难以覆盖所有种类的薄膜光伏组件；其次，实验室即使有同类型参考电池但两者间的光谱响应仍可能存在不小差异。因此，为了准确测试薄膜组件的电流-电压（I-V）特性，十分有必要在测试前进行光谱失配修正。

本文通过测试α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四种具有代表性的薄膜光伏组件的光谱响应曲线，以单晶硅WPVS电池作为参考电池的光谱响应，计算它们在两种太阳模拟器不同光谱分布下的光谱失配情况。从光谱失配角度，对这四种薄膜光伏组件测试结果之间的差异进行分析。

1 光谱失配因子的计算方法

在光伏组件I-V测试中，太阳模拟器常用的光源是氙灯，部分太阳模拟器也会采用金属卤素灯、LED灯等。太阳模拟器与AM1.5标准光谱[2]的匹配程度一般分为A/B/C三个等级，光谱匹配度越高则表明其光谱分布越接近标准光谱，测试结果的光谱失配越小。太阳模拟器与标准光谱的光谱分布差异，以及待测样品与参考电池间的光谱响应差异，两者共同构成了光谱失配。IEC60904-7标准[3]规定，使用光谱失配因子（SMM）表示光谱失配大小，计算公式如式（1）所示：

Eref(λ)为标准光谱分布；

Emeas(λ)为自然光/太阳模拟器实测光谱分布；

Sref(λ)为参考电池的光谱响应；

SDUT(λ)为待测样品的光谱响应。

对待测样品而言，光谱失配因子并非用于修正I-V测试结果，而是用于修正太阳模拟器的辐照度基准，此时辐照度相当于与标准光谱一致。光谱失配因子SMM的倒数1/SMM，代表了辐照度基准需要修正的比例。若SMM>1，表示辐照度需要下调; 若SMM<1，表示辐照度需要上调；若SMM=1，则表示辐照度与标准光谱一致，不存在光谱失配。

使用公式（1）计算时，实验室需提前获得标准光谱和模拟器的光谱分布，以及参考电池和待测样品的光谱响应数据。其中，标准光谱分布可视为常数，其数值由标准IEC 60904-3[2]定义，模拟器的光谱分布、参考电池和待测样品的光谱响应则需要通过测试获得。一般而言，太阳模拟器的光谱分布、参考电池的光谱响应可由计量报告中获得，待测样品的光谱响应则需要使用光谱响应测试仪或量子效率测试系统测量得到。

2 测试结果与分析

为了比较不同光谱下薄膜光伏组件的光谱失配差异，实验选择了两台光谱分布差异较大的太阳模拟器，它们的光源各不相同，一台是光谱匹配度A级的氙灯太阳模拟器，另一台是B级的金属卤素灯太阳模拟器，它们在1000W/m2辐照度下的光谱分布与AM1.5光谱的对比图如图1、图2所示。

因A级模拟器的光谱匹配度较高，从图1可见其光谱300~1200nm范围内与AM1.5标准光谱十分接近，仅在800nm波段附近波动较大。而B级模拟器光谱匹配度相对较差，因此光谱范围内各个波段与标准光谱的差异较为显著。从光谱分布差异可初步推断，同一种薄膜组件在A级光谱下的失配将小于在B级光谱下，下面通过实验与计算来证明这一推断。

实验以单晶硅WPVS电池作为参考电池，选择α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四种薄膜光伏组件并在300~1200nm范围内对它们进行了光谱响应测试，光谱响应曲线如图3所示。

由图3可以看出，四种薄膜组件之间的光谱响应差异较大，CIGS与单晶硅光谱响应十分相似，响应波段覆盖了300~1200nm，其它三种薄膜组件的响应波段均在900nm以内。这四种薄膜组件在不同光谱分布下，它们之间光谱响应的差异如何体现到I-V测试结果的偏差上，则需要计算光谱失配因子来进行分析。综合以上数据，我们分别计算了它们在不同模拟器光谱下的光谱失配因子，结果如表1所示。

根据表1的结果可以做以下几点分析：

（1）四种薄膜组件在A级光谱下的光谱失配均小于B级光谱，B级模拟器平均失配偏差7.0%而A级模拟器平均2.1%；模拟器光谱匹配度相差一个等级，光谱失配带来的测试结果偏差相差约三倍，实验室应尽量选择等级高的模拟器以减小光谱失配。

（2）所有样品中以CIGS的光谱失配偏差最小，在A级模拟器下测试的光谱失配偏差仅0.2%，皆因其光谱响应与单晶硅接近，所以实验室应尽量选择与待测样品光谱响应一致的参考电池以减小光谱失配。

（3）α-Si、CdTe和Perovskite组件均存在显著的光谱失配，这是由它们与单晶硅光谱响应差异较大导致，以α-Si组件为例，在A级模拟器下的最大偏差为3.8%，B级模拟器为12.4%；若不进行光谱失配修正，假若组件最大功率200瓦，则意味着仅光谱失配带来的测试偏差就高达25瓦；若缺少光谱响应一致的参考电池，计算并进行光谱失配修正非常有必要。

表1：薄膜光伏组件在不同模拟器光谱下的光谱失配因子

（4）就测试结果而言，同种薄膜组件在不同模拟器下测试，并不代表其测试偏差会同时偏高或同时偏低。恰恰相反，表1结果显示这四种薄膜组件在A级模拟器下功率测试偏高的，在B级模拟器则功率偏低，反之亦然；因此，若缺少光谱失配因子计算，组件测试结果偏高还是偏低根本无法评估。

图1：A级模拟器光谱与AM1.5标准光谱分布对比

图2：B级模拟器光谱与AM1.5标准光谱分布对比

图3：α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite薄膜组件与WPVS单晶硅电池光谱响应曲线

3 结论

以α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四种薄膜光伏组件为例的实验与计算表明，在薄膜光伏组件的I-V测试中，不同光谱分布太阳模拟器下的光谱失配较为显著，为减小测试误差，计算并进行光谱失配修正非常有必要。以α-Si组件为例，在A级、B级模拟器下的光谱失配偏差分别为3.8%、12.4%，若不进行光谱失配修正会带来巨大的测试误差。从减小光谱失配的角度，建议实验室首先应选择与AM1.5光谱匹配度高的模拟器；其次，尽量选择与待测样品光谱响应一致的参考电池；此外，若缺少参考电池或者缺少待测样品光谱响应数据，可考虑使用同类型组件的光谱响应经验值来评估其光谱失配偏差，否则对于不同光谱分布的太阳模拟器，组件测试结果偏高还是偏低根本无法评估。