太陽電池組件IV特性曲線測試

太陽電池組件I-V特性曲線的測試孔凡建江蘇輝倫太陽能科技有限公司南京江蘇210032太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!太陽電池組件的標準測試包括與標準測試條件相關(guān)的測量標準器、測量環(huán)境、測量設(shè)備和測量的操作過程等問題。為了節(jié)省大家的時間，這里重點討論目前易于被混淆和忽視的一些問題。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!太陽電池標準器的產(chǎn)生和作用標準太陽電池是由絕對輻射計傳遞光能量計量單位根據(jù)光能量計量專家的介紹：通過國際比對產(chǎn)生的絕對輻射計計量光能量的不確定度是±0.7%（U95）。理論上絕對輻射計是無光譜選擇性的，太陽電池是有光譜選擇性的，所以不能直接將絕對輻射計的計量結(jié)果傳遞到太陽電池上面來。制作標準太陽電池，需要通過一套復(fù)雜的光譜測量儀器完成這個傳遞。由于傳遞技術(shù)的復(fù)雜性和不確定性，傳遞過程帶來了許多誤差，使得標準太陽電池對光能量測量的誤差超出了人們常規(guī)的想象。國際比對獲得的標準太陽電池的標準偏差是±1.9%（U95）。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!這里應(yīng)該注意的是，所謂標準太陽電池的標定值，是在：AM1.5光譜分布、1000W/m2光輻照度、太陽電池溫度25℃條件下的標準太陽電池輸出的短路電流值代表在規(guī)定光譜條件對光源輸出的光輻照能量的計量。而標準太陽電池/組件的傳遞過程，也是首先使用標準太陽電池的標定值（短路電流）對光源的輻照度進行標定，在標定的光源下測量傳遞值（短路電流）給被傳遞的工作標準太陽電池/組件。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!其中：η-修正系數(shù)Is-被測組件在AM1.5標準光譜輻照度e0(λ)下輸出的短路電流It-被測組件在模擬器的光譜輻照度et(λ)下輸出的短路電流e0(λ)-AM1.5標準光譜輻照度et(λ)-太陽模擬器et的光譜輻照度Q0(λ)-標準太陽電池的絕對光譜響應(yīng)Qt(λ)-被測組件的絕對光譜響應(yīng)可以看出，如果et(λ)=e0(λ)，η=1；或者Q0(λ)=Qt(λ)，η=1。實際上，這兩個愿望都是無法實現(xiàn)的，即使完全同材料同工藝制造的太陽電池的光譜響應(yīng)也不可能完全相同。然而，進行光譜修正是一個復(fù)雜的過程，在實際生產(chǎn)中幾乎不被采用。由此，就引入了光譜失配的誤差。根據(jù)標準測試條件的要求，在不符合AM1.5光譜條件的模擬器下測量組件，需要對光譜進行修正。修正系數(shù)的公式如下：

太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!還需要考慮的誤差包括；溫度測量的誤差，一般的溫度測量誤差為±1℃；太陽模擬器光輻照度均勻性誤差；偶然性誤差：主要由操作人員的作業(yè)習(xí)慣決定；還包括組件實際溫度引入的誤差；對于閃光太陽模擬器，往往把光的不穩(wěn)定性引入的測量誤差歸于偶然性誤差。上述的誤差，實際屬于兩類，一類是屬于系統(tǒng)誤差或者是固定誤差，另一類屬于偶然性誤差或者隨機誤差?？偟臏y量誤差由所有誤差的幾何和來決定，并且偶然性誤差必須考慮置信區(qū)間。德國TUV實驗室在傳遞標準值的過程中，對組件測量值給出了不同的誤差值：峰值功率Pm的總不確定度≤±3.5%（U95）；短路電流Isc的總不確定度≤±3%（U95）；開路電壓Voc的總不確定度≤±1%（U95）；也就是說從原級標準太陽電池短路電流標定值的標準偏差±1.9%（U95）傳遞到工作參考太陽電池組件的短路電流，傳遞過程大約產(chǎn)生了±2.32%的傳遞誤差。TUV也沒有針對每一個被測量的組件做專門的光譜修正。另一個必須澄清的概念是，這里給出的不確定度，也就是我們通常所說的誤差，是指：對于單次測量，測量值誤差小于總不確定度的概率是95%。也就是說，這個測量值的誤差有5%的概率超出了我們要求的誤差范圍。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!測量環(huán)境的影響太陽電池的I—V特性與溫度相關(guān)，所以，要達到太陽電池25℃測試條件的要求，就必須保證環(huán)境溫度為25℃，并且被測量組件需要長時間置放在恒溫環(huán)境中以保證太陽電池的溫度達到25℃。生產(chǎn)中使用的溫度測量系統(tǒng)，準確度為±1℃。如果使用功率校準的方法，由此而產(chǎn)生的峰值功率測量系統(tǒng)誤差為：±2×1℃×0.45%/℃=±0.9%如果使用短路電流校準方法，由此產(chǎn)生的短路電流測量系統(tǒng)誤差為：±2×1℃×0.06%/℃=±0.12%上述得到的誤差，是假設(shè)測試過程中被測量組件在恒溫測試室放置了足夠的時間，從而被測組件的溫度與恒溫實驗室溫度相同。實際上，由于恒溫實驗室本身溫度的不均勻性和實際生產(chǎn)中太陽電池組件無法在恒溫實驗室內(nèi)放置足夠的時間，測量環(huán)境溫度所引入的測量誤差要遠大于上述的理論計算，并且是不穩(wěn)定的。這些干擾因素在許多個單次測量過程中會顯示出來，所以可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法作為隨機誤差處理。環(huán)境雜散光的影響。室內(nèi)照度500LUX的條件下測量125電池片制作的太陽電池組件，其短路電流大約為5mA，其影響大約是標準輻照度下太陽電池組件短路電流的0.1%，而且這個影響同時被參考太陽電池記錄并計算到總輻照度內(nèi)，所以室內(nèi)測量太陽電池組件，可以忽略雜散光的影響，也就是不用在黑暗條件下測量。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!測量系統(tǒng)這里所說的測量系統(tǒng)，不包括電子負載，測量的是所有轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫康男盘?，包括組件電壓、組件輸出電流在負載電阻上表現(xiàn)的電壓、參考電池輸出短路電流在其自身安裝的精密電阻上表現(xiàn)的電壓、還有溫度傳感器將溫度量轉(zhuǎn)化為電壓量。測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和計算機。測量系統(tǒng)的誤差依賴于數(shù)據(jù)采集器的位數(shù)。通常組件測量系統(tǒng)使用并行4通道12位分辨率數(shù)據(jù)采集器，理論上可以達到的滿量程系統(tǒng)誤差小于±0.025%。所以測量系統(tǒng)誤差從來都不是組件測量誤差的主要來源。測量系統(tǒng)應(yīng)該是經(jīng)過標定的，就是在標準條件下使用不同量值的標準電位計校準測量系統(tǒng)測量電壓量的準確度，使得測量系統(tǒng)無論是在滿量程條件還是在其它量程下，測量值與標準電位計的標定值之間的標準偏差小于給定值，并且生產(chǎn)商應(yīng)該給使用者提供這樣的標定報告。組件生產(chǎn)商在測量組件的過程中可以僅通過對光源的輻照度進行標定，也就是通過獲得標準組件短路電流，就完成了對組件測量系統(tǒng)的設(shè)定。不幸的是，我們目前使用的測量系統(tǒng)，大多數(shù)是沒有經(jīng)過標定的。沒有經(jīng)過標定的測量系統(tǒng)，就需要在測量組件的過程中對組件的開路電壓和短路電流都進行修正，也就是所謂的功率“校準”的方法。測量系統(tǒng)往往使用500KHz以上的4通道并行數(shù)據(jù)采集器，在2mS的采集時間內(nèi)，可以采集4組各1000個以上的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在微觀上存在許多的波動。廠家在軟件設(shè)計上，首先對這些數(shù)據(jù)進行光輻照度修正和溫度修正，然后進行數(shù)據(jù)平滑處理。如果使用數(shù)據(jù)擬合的方法，則完全破壞了數(shù)據(jù)的真實性，甚至有可能得出錯誤的結(jié)果。實際上，國際上某些性能優(yōu)異的組件測試系統(tǒng)，采集的有效數(shù)據(jù)大約僅僅100個，并且不對數(shù)據(jù)進行任何平滑處理，卻保證了所采集數(shù)據(jù)的準確和有效。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!上圖是一個實際的電子負載電路圖。如果開關(guān)SWITCH由斷到通，電容C1處于充電過程，太陽電池從開路向短路方向變化，被測量太陽電池處于放電狀態(tài)，測量的組件電壓要高于實際電壓，測量的輸出功率要高于實際功率。如果開關(guān)SWITCH由通到斷，電容C1處于放電過程，太陽電池從短路向開路方向變化，被測量太陽電池處于充電狀態(tài)，測量的組件電壓要低于實際電壓，測量的輸出功率要低于實際功率。這個效應(yīng)在高速測量過程中，特別是使用肖特基三極管作為驅(qū)動晶體管Q，影響比較明顯。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!大家可以討論，下面這個測試圖有什么問題。

太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!精度（repeatabilityprecision）：是指多次測量的重復(fù)性。精度的大小不能完全代表測量結(jié)果的準確與否，因為精度表現(xiàn)的是偶然性誤差而不包括系統(tǒng)誤差。不確定度（totalmeasuringuncertainty）：也就是我們通常所說的準確度。這個概念包含了兩個含義，一個是測量結(jié)果的估計值，一個是測量結(jié)果的分布狀態(tài)。它有兩部分組成，系統(tǒng)誤差和隨機誤差，是兩者的幾何和。系統(tǒng)誤差是測試系統(tǒng)固有的誤差，是設(shè)備和標準器具提供商已經(jīng)給出的誤差量，例如標準組件短路電流Isc的總不確定度≤±3%（U95）就是Fraunhofer實驗室給出的標準組件的固定誤差。而隨機誤差是測試人員在測試過程中因為測量的方法和環(huán)境因素等引入的誤差。對于隨機誤差，我們必須根據(jù)標準偏差的定義進行計算分析。然后，將所有的誤差分量，按照統(tǒng)一的置信區(qū)間，例如±2σ，計算幾何和，得到的就是我們單次測量在規(guī)定置信區(qū)間的總不確定度。置信度（confidencelevel）：單次測量值誤差小于總不確定度的概率。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!PEP`93（1993—1997）國際標準太陽電池比對活動，有8個國家的17個太陽電池測試實驗室參加，其中包括：美國的NREL、德國的PTB、日本的JQA/ETL中國的TIPS（天津電源研究所—十八所）。通過統(tǒng)計分析這些實驗室的測試結(jié)果，篩選掉了包含極大誤差的數(shù)據(jù)，最終上述四個實驗室測量數(shù)據(jù)被采用。其中：NREL與標定值的平均偏差是－0.3%，PTB與標定值的平均偏差是－1.1%，JQA/ETL與標定值的平均偏差是＋0.3%，TIPS與標定值的平均偏差是+1.2%。由這些實驗室送樣的參考太陽電池片作為太陽電池標準的原級被各個實驗室保存下來，并且在目前的標準傳遞過程中使用。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!組件的測試方法

從標準太陽電池到參考太陽電池組件的對光能量計量值傳遞的過程與我們生產(chǎn)過程中測量太陽電池組件的過程是相似的，只是對與設(shè)備、環(huán)境和操作的要求更嚴格。首先將被測量的太陽電池或者組件與標準太陽電池一同放置在恒溫25℃的實驗室內(nèi)。放置的時間一般根據(jù)被測量物品的質(zhì)量，也就是預(yù)計被測量物品達到25℃所需要的時間決定。為了工作的方便，組件一般要放置12小時以上。作為參考太陽電池組件的傳遞，在標準測量條件下測量短路電流之后就已經(jīng)完成了。獲得I—V特性曲線、開路電壓以及工作電流和電壓，在任何復(fù)現(xiàn)被傳遞的太陽電池組件的短路電流的輻照度下都可以實現(xiàn)。因為：對于任何一個太陽電池組件，在標準測量條件下，I—V特性是不可改變的。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!同時，測量系統(tǒng)，在組件的測量過程中是指對組件的電壓值、電流值、組件溫度和對參考太陽電池的短路電流值進行測量的設(shè)備，也存在系統(tǒng)誤差。這個誤差是大家最容易理解，也是光能量傳遞過程中所引入的各個誤差項中最簡單的，就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差。比如，12位數(shù)據(jù)采集器的滿量程誤差≤±0.04%，參考電池和被測量組件的負載電阻的誤差都為±0.5%，則在滿量程條件下短路電流測量值的測量系統(tǒng)誤差應(yīng)該有：δ≤2×((0.04%)2＋(0.5%)2)1/2=±1.004%如果測量系統(tǒng)的絕對誤差與測量范圍的關(guān)系是線性的，上式所表達的測量系統(tǒng)誤差是有效的。但是，并不是所有的測量系統(tǒng)都可以實現(xiàn)線性測量誤差的要求，有些測量系統(tǒng)的誤差絕對量是固定的。一個固定絕對誤差的測量系統(tǒng)，如果滿量程測量誤差是0.5%，半量程的測量誤差就是1%，1/4量程的測量誤差就是2%。而測量不可能在滿量程條件下完成，這就導(dǎo)致了非常嚴重的測量系統(tǒng)誤差。所以對于測量系統(tǒng)的校準，不僅僅要求滿量程的準確度，還要求在不同測量值的準確度，甚至不同溫度和測試頻率下的準確度。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!太陽模擬器

測量組件的太陽模擬器的基本要求是：光輻照度在800—1200W/m2內(nèi)連續(xù)可調(diào)；在有效輻照面積內(nèi)的輻照不均勻度≤±2；輻照不穩(wěn)定度≤±1；A級光譜分布。檢驗輻照不均勻度的方法是，在測量區(qū)域內(nèi)：其中Emax代表該區(qū)域內(nèi)最大輻照度，Emin代表該區(qū)域內(nèi)最小輻照度。檢驗輻照不穩(wěn)定度的方法相同，僅僅是要固定在一個點上在規(guī)定的時間間隔內(nèi)測量。太陽模擬器光輻照度的不均勻性，在組件I-V特性曲線異常中的影響是明顯的，也可能產(chǎn)生比較大的測量誤差。例如，在一個A級太陽模擬器下測量某個組件，一些輸出功率低的太陽電池處于比較高的輻照度下，另一些輸出功率高的太陽電池處于比較低的輻照度下；而在另一個A級太陽模擬器下測量恰好相反，就可能產(chǎn)生最大8%的短路電流測量值的差別。這個問題可以通過對稱測量的方法發(fā)現(xiàn)并消除。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!地面的反射是不可避免的。為了減少反射，往往在地面和四周的墻壁做減反射處理。清潔程度一般的水泥地面反射系數(shù)為15%；在水泥地面上刷黑色油漆的反射系數(shù)可以達到8%；黑色天鵝絨的反射系數(shù)是0.1%——10%，根據(jù)絨的狀態(tài)變化；黑布的反射系數(shù)是4%。反射光的影響之一是造成組件表面明顯的輻照度不均勻，組件靠近反射物體一側(cè)的太陽電池將接收更多的輻射能量。如果參考太陽電池位于相同一側(cè)，則參考太陽電池得到的輻照度要大于組件所接受的平均輻照度；如果參考太陽電池位于另一側(cè)，則相反。這樣，太陽電池組件就不是在近似標準的光輻照度下被測量，而且往往引起I-V特性曲線產(chǎn)生臺階。反射光的另一個影響是使光譜發(fā)生了改變，如同散射太陽模擬器一樣。在相同的輻照度下，光譜的改變相當(dāng)于光子密度的變化，而且改變了太陽電池內(nèi)部對光子的吸收的位置。這些改變，將引起太陽電池曲線因子的輕微改變。某些情況下，環(huán)境反射光的影響是不可以忽略的，例如直射式太陽模擬器測量。下圖是直射式太陽模擬器水平擺放測量的示意圖。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!電子負載圖3給出了電子負載的原理圖。其中：E1和E2是兩個直流電源，并且E1的電壓必須大于所測量太陽電池的開路電壓；Rh是一個可變電阻；Rp是一個精密電阻，或者被稱為負載電阻。當(dāng)從下向上滑動可變電阻Rh，使得被測量的太陽電池從反向偏置狀態(tài)向正向偏置狀態(tài)變化，太陽電池逐漸從短路狀態(tài)向開路狀態(tài)變化，從而對太陽電池的I-V特性進行掃描。太陽電池組件IV特性曲線測試共20頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!電子負載的作用不是制造一個I-V特性曲線，而是將被測量組件所固有的I-V特性曲線表現(xiàn)出來。電子負載的測量端使用四線制，是為了避免引入外部串聯(lián)電阻。在組件兩端引入串聯(lián)電阻，因為組件輸出電流在這個電阻上產(chǎn)生電壓降，使得測量的組件輸出電壓比實際的組件輸出電壓低；在負載電阻兩端引入串聯(lián)電阻，相當(dāng)于使負載電阻增加，使得測量的組件輸出電流的值大于實際組件輸出電流的值。無論是在組件兩端引入串聯(lián)電阻，還是在負載電阻兩端引入串聯(lián)電阻，都改變了組件的I-V特性。在所謂的功率校準使用中，增加組件兩端的串聯(lián)電阻，就可以增加I-V特性的曲線因子；而增加負載電阻