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浅谈地面用光伏组件的电性能测试之温度效应作者：李成林、刘思剑摘要： 本文介绍了地面用光伏组件的电性能测试原理、测试设备以及相关标准，并对在室内测试过程中的温度效应对地面用晶体硅光伏组件电性能参数的影响等进行阐述。关键词：电性能测试， I-V 特性， STC，太阳模拟器，晶体硅太阳能电池，温度效应引言国际电工委员会第 82 技术委员会为确定地面用光伏组件的额定电气参数（即电性能参数） ，推出了“标准测试条件 STC” (Standard Test Condition) 这个概念，其具体条件为： ·组件温度： 25℃ ·辐照度 ： 1000W/㎡ ·光谱辐照度分布： AM1.5 由于自然太阳光的光谱辐照度分布会随着地理位置、气候、季节和时间等因素而不同，很多情况下 , 采用太阳能模拟器作为光源在室内进行组件电性能的测定。 在室内的条件下，主要是采用太阳能模拟器来实现对组件电性能的测试。而影响组件额定电气参数测试结果的除了光的因素外还有温度效应、设备因素、人员因素等方面。本文主要介绍了在室内测试时，温度效应对测试结果的影响。1．电性能测试原理 地面用光伏太阳能电池组件（以下称组件）的电性能测试是指在一定的光照下输出到负载的电流和电池两端的电压。 目前在测量光伏组件的额定电气参数时 ( “标准测试条件 STC”下的电性能） ，测量的方法通常采用的方法为：在一个近似的 AM1.5环境下，采用 1000W/㎡的模拟太阳光，用与被测组件具有相同光谱响应的参考组件来修正被测组件测量过程中的辐照度，进而通过测试得到被测组件的电性能参数，最后通过对被测组件的实测数据进行处理，就得到了其电性能参数和 I-V 曲线；如果测量过程中的环境温度超出了 STC所允许的范围，则被测组件的实测数据要根据 IEC60891（ 1987+A1）等相应标准修正到对应于“标准测试条件 STC”下的数据后，再进行数据处理进而得到额定电气参数和“标准测试条件 STC”下的 I-V 特性曲线。 注：参考组件对应于“标准测试条件 STC”的电性能已标定（采用不同的标定方法，包括所使用的设备因素、操作人员、溯源标准，其标定结果的测量不确定度是不同的） 。 2. 测试设备及光学检测 太阳光模拟器一般包含三个主要部分： 1）光源及其供电装置。 2） 用于调节射出光束并满足辐照度级别要求的滤光装置 （有些专用的太阳光模拟器通常不具备可调节的滤光装置） 。 3）对太阳光模拟器进行操作的控制系统、数据采集及数据处理系统。 目前太阳模拟器分为两种：稳态太阳模拟器和脉冲太阳模拟器。 稳态太阳模拟器是在工作时输出辐照度稳定不变的太阳模拟器， 优点：提供连续照射的标准太阳光。 缺点：在需要获得较大的辐照面积时，它的光学系统，以及光源的供电系统非常庞大。脉冲太阳模拟器在工件时并不连续发光，只在很短的时间内（通常是毫秒量级以下）以脉冲形式发光（如图 1 所示） 。 优点：瞬间功率很大，而平均功率较小。 缺点： 由于测试工作在极短的时间内进行， 因此数据采集 系统相当复杂。 目前， 在大面积太阳电池组件测量时， 一般都采用脉冲式太阳模拟器。 （图 1） 脉冲式太阳模拟器一般选用脉冲氙灯作为光源，这种光源的特点是能在短时间内发出比一般光源强若干倍的强光，而且光谱特性比稳态氙灯更接近于日光。由于亮度高通常可放在离太阳电池较远的位置进行测量，因此改善了辐照均匀性，可得到大面积的均匀光斑。 太阳能电池组件功率的真实可靠性在一定程度上取决于太阳模拟器光源，对于太阳模拟器某些光学特性是至关重要的，主要包括光谱失配等级、辐照不均匀度和暂时不确定度。 1）辐照光谱的失配等级 它反映了与参考太阳光谱分布 AM1.5 的偏差。 IEC60904-9(2007-10,2 nd) 推荐使用如表1 所示的，在波长 400nm到 1100nm的波段内 6 个波长分段的比例来对模拟太阳光进行光谱匹配度的测量。 表 1 全球标准太阳光分布 2）辐照不均匀度 对测试平面上不同点的辐照度来说， 辐照度不随时间改变时， 辐照不均匀度按下式计算： 在测量单体电池时，辐照不均匀度应使用不超过待测电池面积 1/4 的检测电池来检测。在测量组件时，应使用不超过待测组件面积 1/10 的检测电池来检测。 3）辐照暂时不稳定性 测试平面上同一点的辐照度随时间改变时 , 辐照不稳定度按下式计算 : 辐照不稳定度＝± ( 最大辐照度－最小辐照度 )/( 最大辐照度＋最小辐照度 )*100％ 暂时不稳定又分为短暂时不稳定性和长暂时不稳定性 短暂时不稳定性 : 与 I-V 曲线上同一点测量的同步性有关 , 当前的电子制造技术已经可以普遍该项的 A类技术要求即系统采用三个独立的数据采样通道并且同步触发的时间差小于 10ns. 长暂时不稳定性 : 它反映了一次测试中 , 整个电性能参数采集期间福照度的稳定性 , 因此在 I-V 曲线上不同点上会有所差异。其算法和辐照度均匀性算法相类似。 在 IEC60904-9(2007-9,2 nd) 中采用了三个英文字母对太阳光模拟器的这三项性能进行了分类，如 AAA,BAB,CCB等 表 2 太阳光模拟器分类定义 3. （晶硅）组件测试中的温度效应 ： 以晶体硅太阳能电池组件为例， 测量其电性能最常用最基本的方式是， 在精确控制的光源照射下测量电池的伏安曲线， 并严格控制电池表面的温度。 因为晶硅电池对光强和温度都很敏感， 所以在测试的时候这种条件都需要仔细控制。 对于光源， 光谱和光强这两个数据都很重要，必须要控制在 AM1.5光谱上。 像所有其它半导体器件一样， 晶硅电池对温度非常敏感。温度的升高会降低半导体的禁带宽度，因此温度对大多数的半导体材图 2 料 ( 包括晶硅）的参数影响很大。我们可以把半导体的禁带宽度随温度的升高而下降，看成是材料中的电子能量的提高。因此破坏共价键所需的能量更低。在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度的下降。 在太阳能电池中，受温度影响最大的参数是开路电压。温度的改变对 I-V 曲线的影响如图 2 所示 开路电压随着温度而减小是因为I o对温度的依赖。关于 pn结两边的I o方程如下： 式中， q为一个电子的电荷量； D为硅材料中少数载流子的扩散率； L为少数载流子的扩散长度；ND为掺杂率；n i 为硅的本征载流子浓度。 在上述方程中，许多参数都会受温度影响，其中影响最大的是本征载流子浓度n i 。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越低本征载流子浓度越高）以及载流子所拥有的能量（载流子能量越高浓度越高） 。关于本征载流子的方程为： 式中，T 表示温度，h 和 k 都是常数， me 和 mh分别是电子和空穴的有效质量； EG0 为禁带宽度，B 是也是一个常数，但基本不受温度影响。把这个方程带回到求解电流的方程中，并假设温度对其它参数的影响忽略不计，则： 式中 B’为一个不受温度影响的常数。 常数у， 被用来代替数字 3 以把其它参数可能受温度的影响包括进去。对于温度接近于室温的硅太阳能电池来说，温度每升高 10° C，I o将升高将近一倍。 把上述方程代入到 Voc的方程中，便可计算出I o对开路电压的影响。 其中，E G0=qVG0. 我们假设 dV oc/dT不受 dI sc/dT的影响，则 此方程显示，太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。对于硅来说，E G0为 1.2，设у为 3，则开路电压的变化为大约 2.2mv/° C 。 当温度升高时，短路电流I sc会轻微地上升，因为当禁带宽度E G减小时，将有更多的光子有能力激发电子空穴对。然而，这种影响是很小的，下面的方程将表示硅太阳能电池中短路电流受温度影响程度。 同时，硅电池的填充因子 FF 受温度的影响为： 而温度对最大输出功率P m的影响为： 4. 结论： 在一定的温度范围内，当温度升高时，短路电流I sc会轻微地上升，开路电压V oc会产生较大幅度的下降，进而影响填充因子 FF和最大功率P m。由此可见，在一般的情况下晶体硅太阳能电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的电压越大，受温度的影响就越小。 所以， 我们在具体的测试过程中要严格注意温度效应对测试结果的影响， 在实现 STC时，要对温度尤为注意，特别是在参考组件与待测组件的光谱响应不完全一致或测试系统没有响应的温度修正方法时，测试温度的调节和控制对组件电性能参数的准确性有着很大的影响，因此我们在进行测试的时候应该尽量保持待测件的温度在 25℃，从而减小温度效应对测试准确性的影响。 5. 引用文献 1. IEC60904-1(2006) 光伏电流 - 电压特性的测量 2. IEC60904-2(2007) 标准太阳电池的要求 3. IEC60904-3(2008) 地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据 4. IEC60904-9(2007) 光伏器件光谱响应的测量 5. GB/T6495.1-1996 光伏器件 第 1 部分：光伏电流 - 电压特性的测量 6. GB/T6495.5-1997 光伏器件 第 5 部分：用开路电压法确定光伏 (PV)器件的等效电池温度