稳态型太阳模拟器关键参数对光伏电池短路电流测试结果的影响分析

姜飞飞，刘海涛，杨 磊

(中国科学院 电工研究所 太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心太阳能发电技术北京市重点实验室，北京 100190)

1 引 言

光伏电池光电性能是评估电池性能优劣的重要依据，而短路电流是光电性能的重要参数之一[1,2]。由于不受自然能环境因素影响，操作便捷，室内太阳模拟器法是实验室和工厂生产线常用的电池电流-电压特性测试方法。太阳模拟器是利用人工光源在实验室模拟真实太阳光的光谱分布、辐照度等参数的实验设备，根据其功能特点分为瞬态型模拟器和稳态型模拟器[3～6]。

由于太阳模拟器光源的光谱分布与标准太阳光谱分布的差异，光源的辐照不均匀度和不稳定度也和标准测试条件(AM1.5，温度 25 ℃，辐照度1 000 W/m2)不一致，因此会影响到光伏电池短路电流测试结果的准确性[7～13]。对于第三方检测实验室，为了提高短路电流测试结果的准确性，必须对太阳模拟器的性能进行定期校准，确保模拟器的性能满足测试要求。

本文研究了稳态型太阳模拟器光谱匹配度、辐照不均匀度和辐照不稳定度3个关键参数对光伏电池短路电流测试结果的影响。实验表明，通过对模拟器的关键参数进行修正和控制，能够有效降低短路电流测试值与校准值的偏差，提高测试结果的可重复性。

2 太阳模拟器性能等级划分

IEC 60904-3:2016给出了标准太阳光谱辐照度分布数据[14]，表1和表2分别表示标准条件下波长范围为400～1 100 nm和300～1 200 nm内，不同波长区间内的积分辐照度与总积分辐照度的百分比。光谱匹配度，是指太阳模拟器光源有效波段内的积分辐照度百分比与标准条件下的积分辐照度百分比的比值。

表1 400～1100 nm波长范围内的积分辐照度的百分比Tab.1 Percentage of total irradiance in the wavelength range 400 nm to 1 100 nm

表2 300～1 200 nm波长范围内的积分辐照度的百分比Tab.2 Percentage of total irradiance in the wavelength range 300 nm to 1 200 nm

辐照不均匀度，是指在指定测试区域内，辐照强度随位置变化的最大相对偏差，辐照不均匀度UUNI的计算公式为：

(1)

式中：Irr-max和Irr-min分别是测试区域内的辐照度最大值和最小值。

辐照不稳定度，是指在指定测试区域内任意位置上，在一定的时间间隔内，辐照强度随时间变化的最大相对偏差。辐照不稳定度UINS的计算公式为：

(2)

式中：Irrs-max和Irrs-min分别是测试时间内的辐照度最大值和最小值。

辐照不稳定度又分为短时不稳定度(STI)和长时不稳定度(LTI)，差别在于辐照度的采集时长。实际测试过程中，根据电流-电压特性采集方式和太阳模拟器类型，选择STI或LTI进行辐照不稳定度评估，具体可参考IEC 60904-9:2020的要求。本文的试验对象是稳态型太阳模拟器，因此采用LTI对辐照不稳定度的影响进行分析。

根据太阳模拟器3个关键参数(光谱匹配度、辐照不均匀度、辐照不稳定度)的数值大小，IEC 60904-9：2020将太阳模拟器的性能等级划分为4类：A+、A、B、C[15]，具体划分标准见表3。

表3 太阳模拟器等级划分Tab.3 Definition of solar simulator classifications

太阳模拟器的性能等级直接影响光伏电池短路电流测量的准确性。对于光伏电池短路电流测量不确定度为2%左右的第三方检测实验室，太阳模拟器的等级一般要求为AAA级及以上。

3 实验结果分析

3.1 光谱匹配度的影响

采用太阳模拟器对光伏电池的短路电流进行测试，太阳模拟光源与标准太阳之间的光谱分布差异、标准电池与被测电池的光谱响应度差异能够直接影响测试结果的准确性，因此在实际测试过程中需要对光谱失配进行修正。

IEC 60904-7:2019规定了光谱失配因子SMM(spectral mismatch factor)计算方法[16]，如式(3)所示。

(3)

式中：Eref(λ)是IEC 60904-3规定的标准太阳辐照度分布；Esource(λ)是被测太阳模拟器光源的光谱辐照度分布；Sref(λ)是标准电池的光谱响应度；SDUT(λ)是被测电池的光谱响应度。

使用光谱仪对太阳模拟器的光谱进行测试，并与AM1.5标准光谱进行比较，测试结果如图1所示。

图1 太阳模拟光源和标准太阳光谱辐照度分布Fig.1 Spectral irradiance distribution of solar simulator and reference solar

实验采用两块光伏电池：标准电池J-CH03，标定值为114.1 mA；一块经过计量机构校准的被测光伏电池J-CH02,校准值为151.0 mA。使用光谱响应测试装置对标准电池和被测电池分别进行光谱响应测试，测试结果如图2所示。

图2 标准电池和被测电池的光谱响应度Fig.2 Spectral responsivity of the reference PV cell and the cell under test

采用稳态太阳模拟器，J-CH03作为标准电池，对被测电池J-CH02的短路电流进行测试，按照式(3)计算光谱失配修正因子，分别得到修正前和修正后的短路电流值，数据见表4所示。

表4 光谱失配修正前后J-CH02的短路电流数据Tab.4 Short-circuit current data of J-CH02 before and after spectral mismatch correction

从表4中的数据可以看出，对短路电流进行光谱失配修正后，测试值与校准值的一致性更好，偏差降为0.06%。在实际测测试中，太阳模拟器和被测电池的引起的光谱失配误差，会严重影响短路电流测量结果的准确性，因此进行光谱失配修正对于准确评估光伏电池短路电流是至关重要的。

3.2 辐照不均匀度的影响

对于不同类型的光伏电池，其有效测试面积相差很大。最小的钙钛矿电池面积只有几个平方毫米，最大的晶硅电池尺寸达到210 mm×210 mm。光伏电池的尺寸不同，其在太阳模拟器下放置的位置也不同，太阳模拟器的辐照不均匀性对测试结果的准确性影响很大。本文中的太阳模拟器有效光源面积是200 mm×200 mm，为了研究辐照不均匀度对测试结果的影响，选用一块尺寸为156 mm×156 mm的光伏电池进行遮挡辐照实验。分别对电池的不同位置进行遮挡，如图3所示，同时测试遮挡后的电流-电压特性数据，如表5所示。

图3 光伏电池遮挡辐照实验Fig.3 Irradiance shading experiment

表5 光伏电池遮挡后的电流-电压特性数据Tab.5 Current-voltage characteristics of shaded PV cell

图4 遮挡后的电流-电压特性曲线Fig.4 Current-voltage characteristics curve of shaded PV cell

图4所示的是每次遮挡电池后测得的电流-电压特性曲线。将短路电流与遮挡率进行线性拟合，如图5所示，可以看出，短路电流与遮挡率之间呈线性关系。

从上述分析可以看出，对于光伏电池进行短路电流测试，其短路电流测试结果与测试平面内的光源辐照度分布没有关系，而与测试平面内的平均辐照强度有关。因此对于不同尺寸的光伏电池进行测试，为了减小辐照不均匀度的影响，需要保证被测电池有效辐照平面内的平均辐照强度等于标准辐照强度1 000 W/m2或需要的其他辐照强度。

3.3 辐照不稳定度的影响

太阳模拟器的光源不稳定度能够直接影响光伏电池短路电流测试结果的复现性。选用标准光伏电池J-CH03对太阳模拟器的长时不稳定度LTI进行测试，分别测试辐照不稳定度为0.79%和2.28%时的短路电流。测试时间分别为10 s,记录每秒钟短路电流的变化情况。短路电流重复性测试误差(按照式(4)进行计算。

图5 短路电流与遮挡率的关系Fig.5 Relationship between short-circuit current and shading rate

(4)

式中：I为每秒钟测得的短路电流值；n是短路电流数据总数。

表6所示的是不同辐照不稳定度条件下的短路电流测试值的变化情况，短路电流已经按照IEC 60891的要求修正到了标准测试条件下。从表6中数据可以看出，辐照不稳定度为0.79%的光照条件下，短路电流重复性测试误差为0.12%，远低于辐照不稳定度为2.28%下的误差。对于第三方实验室，稳态型模拟光源的长时不稳定度最好控制在2%之内，才能保证测试结果的可复现性。

表6 不同辐照不稳定度条件下的短路电流变化情况Tab.6 Short-circuit current data under different temporal instability of irradiance

4 结 论

研究了稳态型太阳模拟器光谱失配度、辐照不均匀度、辐照不稳定度对光伏电池短路电流测试结果的影响。通过对模拟光源与标准太阳光、标准电池与被测电池进行光谱失配修正，能够将实验偏差降低0.26%；对光伏电池进行遮挡辐照实验，分析辐照不均匀度与被测电池在测试平面内的位置关系，结果表明，当被测电池有效测试平面内的平均辐照强度满足要求时，能够最大程度降低辐照不稳定度的影响；对不同辐照不稳定度条件下的短路电流进行测试，分析辐照不稳定度对测试结果重复性的影响，实验表明辐照不稳定度为0.79%的条件下，短路电流测试结果重复性误差能够降低0.86%。对于第三方检测实验室，太阳模拟器的性能等级，对光伏电池短路电流的测试结果有巨大的影响。为了提高测试结果的准确性，必须确保太阳模拟器的性能满足要求。