太阳光模拟器光谱对光伏组件I-V 特性测试的影响分析

陈昊旻，朱冰洁

(无锡市检验检测认证研究院，无锡 214000)

0 引言

自2015 年发射极钝化和背面接触(PERC)光伏组件面向光伏市场并逐渐取代传统铝背场光伏组件以来，经过多年发展，PERC 光伏组件的光电转换效率已接近理论极限，提升速度缓慢，在此情况下，生产厂家开始将目光投向异质结(HJT)、全背电极接触(IBC)、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)等光电转换效率更高的光伏组件[1-3]。由于光伏组件类型不同，其光谱响应能力也不同，导致进行光伏组件I-V特性测试时使用的太阳光模拟器存在光谱失配的情况[4]，影响测试结果。

基于此，本文选取3 台以氙灯作为光源的不同品牌的太阳光模拟器，分别测试其光谱辐照度，并采用这3 台太阳光模拟器分别测试市场上常见类型光伏组件的光谱响应特性，然后通过计算光谱失配因子来分析评估太阳光模拟器光谱对光伏组件I-V特性测试的影响。

1 太阳光模拟器光谱

IEC 60904-9: 2020《Photovoltaic devices——Part 9: Classification of solar simulator characteristics》[5]可用于评价太阳光模拟器性能，其在AM1.5 下评价太阳光模拟器光谱时用到的参数包括光谱匹配度、光谱覆盖率(SPC)和光谱偏离率(SPD)。其中，光谱匹配度为各波长区间内太阳光模拟器光谱的辐照度占比与相应波长区间内标准太阳光谱(AM1.5G)的辐照度占比的比值，是评价太阳光模拟器光谱的主要指标。而SPC 和SPD 主要用于反映光谱匹配度无法体现的偏差。

目前，太阳光模拟器主要采用3 种光源，分别为卤素灯、氙灯及LED 灯。其中，卤素灯光谱与AM1.5G 差异较大，其主要用于光伏组件的光致衰减、热斑、温升等实验测试，而不用于I-V特性测试。氙灯光谱与AM1.5G 较为接近，是目前太阳光模拟器采用的主流光源。LED 灯作为瞬态太阳光模拟器光源时，具有脉冲时间长的优点，在消除高容性光伏组件电容效应时具有优势。LED 灯光谱由光照模块中的多个LED 灯实现，当模块中的LED 灯数量较少时，光谱匹配度较低，而LED 灯数量较多时，虽然光谱匹配度较高，但因为是不连续光谱，仍旧与AM1.5G存在较大差异；同时其成本较高，目前仍在发展中，还未成为主流光源。

为分析太阳光模拟器光谱对光伏组件I-V特性测试的影响，选择3 台目前主流的不同品牌太阳光模拟器，均采用氙灯作为光源，分别命名为模拟器A、模拟器B 和模拟器C，使用光纤光谱仪测试其在300～1200 nm 波长范围内的光谱辐照度，测得的光谱辐照度曲线如图1 所示。

图1 3 台太阳光模拟器的光谱辐照度曲线Fig. 1 Spectral irradiance curves of three solar simulators

根据IEC 60904-9:2020 的要求，将图1 中3台太阳光模拟器测得的光谱辐照度结果按照波长分为6 个区间，波长区间分别为300～470、470～561、561 ～657、657 ～772、772 ～919、919 ～1200 nm，然后对每个波长区间内的光谱辐照度进行积分，并将积分结果除以300～1200 nm 波长区间的总光谱辐照度，得到每个波长区间内的光谱辐照度占比；将6 个波长区间的光谱辐照度占比分别与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 相同波长区间内的辐照度占比进行比较，得到3 台太阳光模拟器各自的光谱匹配度，具体如表1 所示。

表1 3 台太阳光模拟器的光谱匹配度Table 1 Spectral matching degree of three solar simulators

光谱匹配度由高到低一共分为4 个等级，分别为A+、A、B、C。相对于AM1.5G，不同等级光谱匹配度对应的数值区间分别为不超过87.5%～112.5%、75.0%～125.0%、60.0%～140.0%、40.0%～200.0%，模拟器各波长区间光谱匹配度相对于AM1.5G 偏离最大值处于哪个等级区间，就判定模拟器光谱匹配度为对应等级。因此，3 台太阳光模拟器的光谱匹配度均为A+级。

2 实验结果和分析

2.1 光谱失配因子

由于太阳光模拟器光谱对光伏组件I-V特性测试结果的影响主要体现在光谱失配方面，当光谱失配因子(SMM)大于1 时，表明测试结果相对于实际值偏高；当光谱失配因子小于1 时，表明测试结果相对于实际值偏低。因此，本文通过计算光谱失配因子，根据其大小和测试不同类型光伏组件时其值变化范围等方面，来分析太阳光模拟器光谱对光伏组件I-V特性测试的影响。采用WPVS 单晶硅参考太阳电池作为参考器件[7]，以目前市场上主流的PERC 光伏组件、HJT 光伏组件和TOPCon 光伏组件作为测试样品，使用量子效率测量仪分别测试这3 种光伏组件和1 个参考器件(下文统称为“光伏器件”)的光谱响应情况，并进行归一化。4 种光伏器件归一化后的光谱响应曲线如图2 所示。

图2 4 种光伏器件归一化后的光谱响应曲线Fig. 2 Normalized spectral response curves of four PV devices

从图2 可以发现：4 种光伏器件在300 nm处开始光谱响应，然后光谱响应不断增强，在900～1000 nm 附近达到峰值，然后快速下降，在1200 nm 处趋于零。

IEC 60904-7:2019《Photovoltaic devices——Part 7: Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices》[8]中光谱失配因子的计算式可表示为：

式中：Eref(λ)为参考光谱在特定波长λ下的辐照度；Emea(λ)为测试所用光源在特定波长λ下的光谱辐照度；Sref(λ)为参考器件在特定波长λ下的光谱响应率；SDUT(λ)为被测光伏组件在特定波长λ下的光谱响应率。

结合式(1)得到的计算结果，采用3 种太阳光模拟器时4 种光伏器件的光谱失配因子如表2所示。

表2 采用3 种太阳光模拟器时不同类型光伏器件的光谱失配因子Table 2 Spectral mismatch factors of different types of PV devices when using three solar simulators

从表2 可以看出：即使3 种太阳光模拟器光谱匹配度都达到了A+级，但因为参考器件与3种光伏组件光谱响应存在差异，导致在测试3 种光伏组件I-V特性时仍存在最大0.68%的偏差。因此，若不能采用与测试样品具有相同光谱响应的参考器件，需要考虑光谱失配对测试结果造成的影响。

2.2 光谱分布的影响

光谱匹配度是评价太阳光模拟器光谱分布的主要指标。虽然实验中使用的3 台太阳光模拟器光谱匹配度均为A+级，但从表2 可以看出：相对于参考器件，使用模拟器A 测试时，PERC、HJT、TOPCon 3 种光伏组件的光谱失配因子均大于1；使用模拟器B、C 测试时，3 种光伏组件的光谱失配因子均小于1。3 台光谱匹配度等级相同的太阳光模拟器，其光谱失配因子却并不相同，这是因为：1)由于太阳光模拟器的光谱辐照度占比偏差存在正负值，±12.5%以内均可评价为A+级，然而正负偏差会影响光谱失配因子的结果；2)虽然评价光谱匹配度等级时是将每个波长区间内的光谱辐照度进行积分后通过计算得到的，但每个波长区间仍然较宽，在每个波长区间内存在多个尖峰和低谷，互相补偿，使不同波长区间内的太阳光模拟器光谱辐照度占比接近，但尖峰和低谷的数量、大小和位置却存在差异，这种差异也会影响光谱失配因子的结果。因此，光谱匹配度等级只能总体评估太阳光模拟器光谱与AM1.5G 的匹配程度，却无法决定光谱失配因子的大小。

结合图1、图2 可以发现：在600～950 nm波段模拟器A 的总光谱辐照度弱于模拟器B 和C 的总光谱辐照度，而在960～1200 nm 波段模拟器A 的总光谱辐照度强于模拟器B 和C 的总光谱辐照度；并且在600～950 nm 波段3 种光伏组件的光谱响应弱于参考器件的光谱响应，在960～1200 nm 波段3 种光伏组件的光谱响应强于参考器件的光谱响应。相对于参考器件的光谱响应，在测试样品光谱响应更弱处，模拟器A的光谱辐照度低于模拟器B 和C 的光谱辐照度；在测试样品光谱响应更强处，模拟器A 的光谱辐照度高于模拟器B 和C 的值。因此，模拟器A 的光谱失配因子大于模拟器B 和C 的光谱失配因子。综上，模拟器A 的光谱失配因子大于1。由此可见，光谱失配因子的大小由参考器件光谱响应和测试样品光谱响应差异处的光谱分布决定。

2.3 SPC 的影响

SPC 的计算式可表示为：

式中：CSP为太阳光模拟器的SPC；ESIM(λ)为太阳光模拟器在特定波长λ下的光谱辐照度；EAM1.5(λ)为AM1.5G 在特定波长λ下的辐照度；Δλ为波长间隔。

根据式(2)计算得到3 台太阳光模拟器的SPC，具体如表3 所示。

表3 3 台太阳光模拟器的SPCTable 3 SPC of three solar simulators

由表3 可知：3 台太阳光模拟器的SPC 为100%或接近100%。这主要是因为，SPC 主要用于评估太阳光模拟器光谱在300～1200 nm 波长范围内的覆盖程度，由于3 台太阳光模拟器均是以氙灯作为光源，氙灯光谱连续光谱且与AM1.5G 较为接近；而A+级是光谱匹配度的最高等级，此等级的光谱分布与AM1.5G 十分接近。因此，当太阳光模拟器光源为氙灯且光谱匹配度等级为A+时，其SPC 通常接近100%。

2.4 SPD 的影响

SPD 的计算式为：

式中：DSP为太阳光模拟器的SPD。

根据式(3)计算得到3 台太阳光模拟器的SPD，具体如表4 所示。

表4 3 台太阳光模拟器的SPDTable 4 SPD of three solar simulators

由表4 可知：虽然3 台太阳光模拟器的光谱匹配度均为A+级，但模拟器A 的SPD 却最低，为 15.09%，明显优于模拟器B 和C 的SPD。这是因为在300～1200 nm 波段内，模拟器A 的光谱辐照度曲线与AM1.5G 的更为接近，而模拟器B 和C 的光谱辐照度曲线存在较多的尖峰和低谷，且尖峰较高，低谷较深，因此导致这3 台太阳光模拟器的光谱匹配度虽然较为接近，且均为A+级，但模拟器A 的SPD 却明显优于模拟器B和C 的SPD。

SPD 可用于评估太阳光模拟器光谱与AM1.5G 的实际偏离程度。不同于光谱匹配度，光谱匹配度可能会因为某个波长范围内一部分光谱辐照度强于AM1.5G 的辐照度，一部分弱于AM1.5G 的辐照度而导致整个光谱匹配度接近100%；而SPD 是太阳光模拟器每个波长区间内光谱辐照度与AM1.5G 辐照度相对偏差的绝对值之和，SPD 可能会大于100%，当SPD 等于零时，光谱辐照度曲线必定与AM1.5G 的辐照度曲线完全一致。

结合表2、表4 可看出：模拟器A 的光谱失配因子范围为1.0000～1.0021，极差为0.0021，明显优于模拟器B(光谱失配因子范围为1.0000～0.9950，极差为0.0050)和模拟器C(光谱失配因子范围为1.0000～0.9932，极差为0.0068)的值。模拟器A 的SPD 明显优于模拟器B 和模拟器C的值，同时光谱失配因子的极差也明显小于模拟器B 和模拟器C 的值，与预期相符。但模拟器C 的SPD 略小于模拟器B 的值，光谱失配因子极差却略大于模拟器B 的值。

模拟器B 的光谱辐照度与AM1.5G 的辐照度偏差主要是因为在300～350 nm 波长范围内模拟器B 几乎无光谱辐照度，而在680～1000 nm波长范围内却存在多个尖峰和低谷，且在1000～1100 nm 波长范围内存在一个长低谷。而模拟器C 的光谱辐照度与AM1.5G 的辐照度偏差主要是因为在680～1000 nm 波长范围内模拟器C 存在多个尖峰和低谷，且在 1000～1100 nm 波长范围内存在一个长低谷。模拟器B 和C 的光谱辐照度曲线在1000～1100 nm 波长范围内的长低谷较为接近。虽然模拟器B 在300～350 nm 波长范围内几乎无光谱辐照度，但是此处光伏组件的光谱响应也很弱，对光谱失配因子的影响相对较小；而在680～1000 nm 波长范围内，虽然模拟器B 和C 都存在多个尖峰和低谷，但模拟器C 的尖峰要明显高于模拟器B 的，而且此波长范围内光伏组件光谱响应较强，因此虽然模拟器B 的SPD 略大于模拟器C 的值，但是光谱失配因子变化范围小于模拟器C 的值。

综上可知，当太阳光模拟器光谱SPD 较小时，通常测试不同类型光伏组件的光谱失配因子差距较小时，光伏组件I-V特性测试结果的偏差也就较小。此规律在两台模拟器SPD 差距较大或SPD 值均很小时较为明显，但若是两台模拟器SPD 较为接近或SPD 值均很大时，则需要根据实际的光谱辐照度曲线进行具体分析。

3 结论

本文从光谱匹配度、SPC 和SPD 的角度对3台太阳光模拟器光谱进行了分析，并结合目前市场上主流的PERC、HJT、TOPCon 3 种类型光伏组件的光谱响应特性，通过计算光谱失配因子来分析光谱对光伏组件I-V特性测试结果的影响。结果显示：

1)光伏组件I-V特性测试结果偏高或偏低与光谱匹配度等级无关，而是由参考器件光谱响应和测试样品光谱响应差异处的光谱分布决定。

2)通常，A+级光谱匹配度的太阳光模拟器SPC 接近100%，在光谱匹配度等级一致时，使用SPD 较小的太阳光模拟器测试光伏组件I-V特性，得到的结果偏差更小。

3)目前A+级为太阳光模拟器光谱匹配度的最高等级，但因为参考器件与3 种测试样品的光谱响应存在差异，导致在测试样品的I-V特性时仍存在最大0.68%的偏差。因此，为更准确测试光伏组件的I-V特性，推荐使用与样品具有相同光谱响应的参考器件，或进行光谱失配修正。