谈太阳模拟器及IV测试系统选择的技术要点

谈太阳模拟器及 IV 测试系统选择的技术要点天祥太阳能源科技有限公司 (www.dyesuntech.com ) dyesuntech@163.com摘要： 太阳电池产品的销售价格主要取决于太阳电池能够产出的峰值瓦特数， 正确选择一款合适太阳模拟器准确测试太阳能电池 （组件） 的发电性能参数 （如最大化输出功率和转换效率） 对一个太阳能光伏企业非常重要。 在对太阳模拟器进行选择的时候， 需综合考虑太阳模拟器的模拟光源等级及使用寿命、 I-V 测试系统 、控温系统，以及太阳模拟器制备厂家的制备经验，选择适合本企业产品类型的高性价比的太阳模拟器。关键词： 太阳模拟器 光源 I-V 测试系统中国的光伏产业在 2004 年之后经历了快速发展的过程，连续 5 年的年增长率超过100% ， 2010 年中国光伏电池产量已超过全球总产量的 50% 。目前已有数十家太阳能光伏公司分别在海内外上市， 诞生了如无锡尚德、 保定英利、 宁晋晶澳等一批具备较强国际竞争能力的太阳能光伏企业。 由于太阳能光伏产品的价格不像其它产品那样是以尺寸、 重量或件数为公制来衡量，太阳电池产品的销售价格主要取决于太阳电池能够产出的峰值瓦特数， 这就决定了太阳能光伏行业是一个以产品质量 （高转换效率） 为驱动的产业和商业模式， 也同样突出了正确选择一款合适太阳模拟器， 准确测试太阳能电池性能参数 （如最大化输出功率和转换效率）的重要性。反之，太阳模拟器选择不合理带来的测量误差，则会直接导致太阳能光伏企业和客户之间的经济损失和贸易争端。太阳模拟器测试原理图如图一，图一 太阳模拟器测试原理图目前，市场上对每一种应用和价位都有不同型号的产品，还有许多正在开发过程中， 利用太阳模拟器对太阳能电池进行测试， 是研究的需要， 也是质量保证和生产所需。 对于不同的行业，如用于太空或者在地面，测量精度、速度和参数的重要性会有不同，但在选择太阳模拟器时，不管哪种型号，我们需重点关注太阳模拟器以下两个关键部件：1. 太阳模拟器的模拟光源光源是模拟器中最能体现技术含量的部分。 目前商业化太阳模拟器分为两类， 一类是稳态模拟器 (例如滤光氙灯 ,双色滤光钨灯 -ELH 灯或改进的汞灯 ),这类模拟器适用于单体电池和小尺寸组件的测试 .另一类是脉冲模拟器 ,由一个或者两个长弧氙灯组成，这类模拟器在大面积范围内的辐照均匀度好，适合大尺寸组件的测试。国际标准 IEC 60904-9 根据光谱匹配度（ spectral match ， SM ） 、辐照不均匀度（ irradiance non-uniformity ， IU）和辐照不稳定度 (temporal instability) ， 把光源分为 ABC 三级。 根据标准， 只要光谱匹配度在 0.75-1.25之间，不均匀度在± 2%， LTI 在± 2%， STI 在± 0.5% ，就属于 A 级光源（ AAA ） ，具体详见太阳模拟器等级分类要求见（表一） ，表一：太阳模拟器等级分类表等级 光 谱 匹 配 度（ spectralmatch ）辐照不均匀度（ irradiancenon-uniformity ）辐照不稳定度 (temporalinstability)瞬时不稳定度（ LTI）长期不稳定度（ STI ）Class A 0.75 – 1.25 < ± 2% < ± 0.5% < ± 2%Class B 0.6 – 1.4 < ± 5% < ± 2% < ± 5%Class C 0.4 – 2.0 < ± 10% < ± 10% < ± 10%下面就光源质量的三个重要做进一步的介绍。光谱匹配度：光谱匹配度的定义是模拟光在 6 个光谱范围内与太阳光的匹配程度，用百分比来表示。任何数据的偏离情况就能对模拟器匹配程度的等级进行划分。对于 AAA 级产品，理想的匹配百分比范围是 0.75 到 1.25 。由于 Pasan 拥有更为优良的滤波镜片，使得 Pasan 的光源表现出色， 其 LMT 和 VLMT 两个系列的光源， 已达到了 AA 级标准， 比 IEC的 A 级标准高出一倍： SM< ± 12.5%, IU<1%, LIT<1%, STI<0.5% ， 模拟器光谱图详解图 2。图 2 太阳模拟器的模拟光源的光谱图辐照的均匀度： 是指在指定测试区域的辐照度应达到一定的均匀度， 光照均匀性是最难达到和保持一项指标， 工作面积上的强光点会导致被测电池效率产生的严重误差和其他性能的紊乱。 AAA 级产品就能将这种强光点对产品的影响降到最低，其空间均匀性严格控制于 ≤± 2% 。辐照的稳定度：辐照稳定度是 AAA 级标准的第三项性能参数指标，它要求模拟器的输出光束长时间保持稳定的照度以确保太阳能电池效率测定的精确性，对于辐照不稳定度， 还细分为长期不稳定度（ LTI）和短期不稳定度（ STI ） ，分别对应整个 IV 测试过程中辐照度的变化和取点过程中辐照度的变化。 脉冲时间对于晶体硅电池而言， 是完全没有影响的， 因为其响应时间（ response time 或者 delay time ）非常短，在测试仪采集数据的时候，电池早已达到饱和。但是对于染料敏化电池、非晶硅薄膜电池尤其是多结、 HIT 和 Sunpower 等其他结构的电池，其响应时间（ delay time ）从几个 ms 到几百个 ms 不等，其响应时间在取点时太阳电池是否已经饱和稳定，是个必须认真考虑的问题。2、 I-V 测试系统太阳能产业的成长增加了对太阳能电池（及太阳能模组）测试和测量解决方案的需求，所有 I-V 测试系统都主要由电子负载 ,数据采集和计算机等设备构成。进行 IV 曲线测试，要在极短的时间内，通常几个 ms 到十几个 ms ，记录辐照度、电流和电压信号。但随着计算机的发展，这已经不是问题，就算最低的太阳模拟器 QuickSun ，以 10bits 的速度，也能在2ms 内同时采集辐照度，电流和电压信号，取得 4096 个数据组，然后将邻近 8 个平均， 得到 512 个 IV 曲线数据点，这里需处理的关键是如何改善信噪比和保证精度。而且随着太阳能电池尺寸的增大和效率的提高， 电池测试需要运用更大的电流和更高的功率水平，这就要求采用更加灵活的 I-V 测试系统。虽然各厂家的太阳模拟器的 I-V 测试系统的设计略有不同，但都根据的太阳电池的等效电路原理如图 3，图 3 太阳电池的等效电路测量的重要参数有 Pmax, Imax, Vmax,Isc,Voc,FF,Eff, Rs, Rp 以及 I-V 曲线，各主要参数标注如图 4。图 4 I-V 曲线及太阳电池主要性能参数在测试较小的单个电池时， 它们的最大电流和功率是太阳模拟器的 I-V 测试系统可接受的， 但是随着太阳光伏组件技术向更大的尺寸推进， 组件的尺寸输出将很快会超出太阳模拟器的有效光谱辐照度的量测范围。在这些情况下，测试工程师应当借助于户外 IV 测试仪（ DS-100C ） 电子负载、直流电源和数据采集设备，包括温度测量、扫描、转换和数据记录设备，进行户外测试，并且达到预期的测试精度。但户外测试时，需要考虑的另一项因素是温度。 因为电池的性能会受到温度的影响， 因此需要在测试中监视温度。 不仅电池性能依赖于温度，而且测试设备的性能也依赖于温度。如果测试温度与标定温度之差大于 2℃， 则必须对测试值按实测温度进行校正。稳态氙灯虽然适合于薄膜、 多结等长响应时间的电池测试， 但技术上氙灯稳态光源达到大面积的 AAA 标准， 还有一段路要走， 并且稳态模拟器的造价不菲。 英国和德国有几家公司使用 LED 或金卤灯作稳态光源， 只能到 BBA 甚至 CBA 的标准。 目前已有厂家采用氙灯稳态光源，能达到 AAA 标准，更为适合测试长响应时间的电池，但存在价格高且能耗大的不足。 光伏企业在选购太阳模拟器时还需考虑模拟器光源的使用寿命， 以达到最大性价比。 有些太阳模拟器的光源采用了高电流密度，导致其氙灯寿命很短，只有 1万到 3万次，而有些太阳模拟器的寿命由于采用了其他技术，其光源的寿命则可达 50万次。脉冲模拟器由于在大面积范围内辐射度均匀性好 ,能够更好地适应于大尺寸组件的测试 .这类模拟器的另外一个优点是 ,被测电池热输入可以忽略 ,这样在测试时被测点出与环境测试温度保持一致 ,而环境温度是可以很容易精确测量的。脉冲模拟器能更为广泛使用的原因主要有两点：一是经济性，单闪光源的能耗、造价都要比稳态光源低很多；二是测试时， 组件的升温单闪光比稳态光相对要小。有研究报告认为，要准确测量这种长响应时间的电池，光脉冲时间需达 100ms 甚至更长的脉冲长度和测试时间。若单闪长脉冲技术能取得突破，则对稳态氙灯在长响应时间电池领域的领先优势造成极大冲击。总之， 我们在选购太阳模拟器的时候首先要关注太阳模拟器的两个关键部件， 一个是光源，另一个则是 I-V 测试系统 。除此之外，则需考虑太阳模拟器的控温系统，甚至需更进一步评估各太阳模拟器厂家的对太阳模拟器测量技术的理解， 对他们所采用的被测太阳电池串并联电阻计算方法的科学性做一个全面的评估， 如此， 才能真正买到一款适合各企业自身产品的太阳模拟器。参考文献【 1 】 K. A. Emery et al., “Uncertainty Analysis of Photovoltaic Efficiency Measurements,“Nineteenth IEEE PVSC, 1985, pp. 153-159.【 2】 IEC60904-1Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics 2006-09【 3】 IEC 60891-am1 Amendment 1 - Procedures for temperature and irradiance corrections tomeasured I-V characteristics of crystalline silicon photovoltaic devices (1992-06) MaintenanceResult Date: 2005【 4 】 IEC 60904-9 Photovoltaic devices - Part 9: Solar simulator performance requirements(2007-10)【 5】 A. Sch?necker and K. Bü cher,“ Influenceof Non-Uniform Illumination on SpectralResponse and Efficiency Measurements of Large-Area Solar Cells, ”Twenty-Second IEEE PVSC,1991, pp. 203-208.【 6】 刘峰 徐林 .大面积薄膜太阳电池测试分析技术 《中国新能源》 2008-9， pp74-76