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1、第三章 太阳电池测试3.1太阳模拟器3.1.1概述太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。3.1.2太阳辐射的基本特性3.1.2.1几个描述光的物理概念：（1）发光强度。按照1979年第1
2、6届国防计量会议（CGPN）确定，以坎德拉（cd）为发光强度的计量单位。坎德拉是一光源在给定的方向上的光强度，该光源发出频率为5401012Hz的光学辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683WSr-1（2）光通量。光通量的单位是流明（lm），它用来计量所发出的总光量，发光强度为1cd的点光源，向周围空间均匀发出4p流明的光能量。（3）光强度。指照射于一表面的光强度，它用勒克斯（lx）作为单位，当1lm光通量的光强射到1m2面积上时，该面积所受的光照度（简称照度）就是1lx。（4）辐射度，通常称为光强，即入射到单位面积上的光功率，单位是W/m2或mw/cm2。3.1.2.2辐照度及其均匀性对空间
3、应用，规定的标准辐照度为1367w/m2（另一种较早的标准规定为1353 w/m2），对地面应用，规定的标准辐照度为1000 w/m2。实际上地面阳光和很多复杂因素有关，这一数值仅在特定的时间及理想的气候和地理条件下才能获得。地面上比较常见的辐射照度是在600900 w/m2范围内，除了辐照度数值范围以外，太阳辐射的特点之一是其均匀性，这种均匀性保证了同一太阳电池方阵上各点的辐照度相同。3.1.2.3光谱分布太阳电池对不同波长的光具有不同的响应，就是说辐照度相同而光谱成分不同的光照射到同一太阳电池上，其效果是不同的，太阳光是各种波长的复合光，它所含的光谱成分组成光谱分布曲线，而且其光谱分布也随
4、地点、时间及其它条件的差异而不同，在大气层外情况很单纯，太阳光谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，称为AMO光谱。在地面上，由于太阳光透过大气层后被吸收掉一部分，这种吸收和大气层的厚度及组成有关，因此是选择性吸收，结果导致非常复杂的光谱分布。而且随着太阳天顶角的变化，阳光透射的途径不同吸收情况也不同。所以地面阳光的光谱随时都在变化。因此从测试的角度来考虑，需要规定一个标准的地面太阳光谱分布。目前国内外的标准都规定，在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱，简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19，原因是这种情况
5、在地面上比较有代表性。3.1.2.4总辐射和间接辐射在大气层外，太阳光在真空中辐射，没有任何漫射现象，全部太阳辐射都直接从太阳照射过来。地面上的情况则不同，一部分太阳光直接从太阳照射下来，而另一部分则来自大气层或周围环境的散射，前者称为直接辐射，后者称为天空辐射。二部分合起来称为总辐射，在正常的大气条件下，直接辐射占总辐射的75%以上，否则就是大气条件不正常所致，例如由于云层反射或严重的大气污染所致。3.1.2.5辐照稳定性天气晴朗时，阳光辐照是非常稳定的，仅随高度角而缓慢的变化，当天空有浮云或严重的气流影响时才会产生不稳定现象，这种气候条件不适宜于测量太阳电池，否则会得到不确定的结果。32太
6、阳模拟器综上所述，标准地面阳光条件具有1000 w/m2的辐照度，AM1.5的太阳光谱以及足够好的均匀性和稳定性，这样的标准阳光在室外能找到的机会很少，而太阳电池又必须在这种条件下测量，因此，唯一的办法是用人造光源来模拟太阳光，即所谓太阳模拟器。321稳态太阳模拟器和脉冲式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，它的优点是能提供连续照射的标准太阳光，使测量工作能从容不迫的进行。缺点是为了获得较大的辐照面积，它的光学系统，以及光源的供电系统非常庞大。因此比较适合于制造小面积太阳模拟器，脉冲式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
7、发光。其优点是瞬间功率可以很大，而平均功率却很小。其缺点是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，在大面积太阳电池组件测量时，目前一般都采用脉冲式太阳模拟器，用计算机进行数据采集和处理。322太阳模拟器的电光源及滤光装置用来装置太阳模拟器的电光源通常有以下几种：卤光灯：简易型太阳模拟器常用卤光灯来装置。但卤光灯的色温值在2300K左右，它的光谱和日光相差很远，红外线含量太多，紫外线含量太少。作为廉价的太阳模拟器避免采用昂贵的滤光设备，通常用3cm厚的水膜来滤除一部分红外线，使它近红外区的光谱适当改善，但却无法补充过少的紫外线。冷光灯：冷光灯是由卤钨灯和一种介质膜反射镜构成的组
8、合装置。这种反射镜对红外线几乎是透明的，而对其余光线却能起良好的反射作用。因此经反射后红外线大大减弱而其它光线却成倍增加。和卤钨灯相比，冷光灯的光谱有了大辐度的改善，而且避免了非常累赘的水膜滤光装置。因此目前简易型太阳模拟器多数采用冷光灯。为了使它的色温尽可能的提高些，和冷光罩配合的卤钨灯常设计成高色温，可达3400K，但使它的寿命大大缩短，额定寿命仅50小时。因此需经常更换。氙灯：氙灯的光谱分布从总的情况来看比较接近于日光，但在0.8m0.1m之间有红外线，比太阳光大几倍。因此必须用滤光片滤除，现代的精密太阳模拟器几乎都用氙灯作电源，主要原因是光谱比较接近日光，只要分别加上不同的滤光片即可获
9、得AM0或AM1.5等不同的太阳光谱。氙灯模拟器的缺点从光学方面来考虑是它的光斑很不均匀，需要有一套复杂的光学积分装置来使光斑均匀。从电路来考虑是它需要一套复杂而比较庞大的电源及起辉装置。总的来说，氙灯模拟器的缺点是装置复杂，价格昂贵，特别是有效辐照面积很难做得很大。脉冲氙灯：脉冲式太阳模拟选用各种脉冲氙灯作为光源，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。33太阳模拟器某些光学特性的检测331辐照不均匀度的检测辐照不均匀度是对测试平面上不同点的辐
10、照度来说，当辐照度不随时间改变时，辐照度不随时间改变时，辐照不均匀度按下式计算:辐照不均匀度（最大辐照度最小辐照度）/（最大辐照度最小辐照度）100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。332辐照不稳定的检测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）333光谱失配误差计算光谱失配误差=式中：和分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电流i()与短路电流I之比：B()1定义为光谱
11、，它表示太阳模拟器光谱辐照度sim()和AM1.5的光谱辐照度。AM1.5()的相对偏差：即 由上述容易看到，在两种特殊情况下光谱失配误差消失：一种情况是太阳模拟器的光谱和标准太阳光谱完全一致，另一种情况是被测太阳电池的光谱响应和标准太阳电池的光谱响应完全一致。这两种特殊情况都难以严格地实现，而二种情况相比之下，后一种情况更难实现，因为待测太阳电池是多种多样的，不可能每一片待测电池都配上和它光谱响应完全一致的标准太阳电池。光谱响应之所难于控制，一方面出于工艺上的原因，在众多复杂因素的影响下，即使是同工艺、同结构、同材料，甚至是同一批生产出来的太阳电池，并不能保证具有完全相同的光谱响应，另一方面
12、来自测试的困难，光谱响应的测量要比伏安特性麻烦得多，也不易测量正确，不可能在测量伏安特性之前先把每片太阳电池的光谱响应测量一下。因此为了改善光谱匹配，最好的办法是设计光谱分布和标准太阳光谱非常接近的精密型太阳模拟器，从而对太阳电池的光谱响应不必再提出要求。3.4 单体太阳电池测试测量太阳电池的电性能归结为测量它的伏安特性，由于伏安特性与测试条件有关，必须在统一的规定的标准测试条件下进行测量，或将测量结果换算到标准测试条件，才能鉴定太阳电池电性能的好坏，标准测试条件包括标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）和标准测试温度，温度可以人工控制。标准太阳光可以人工模拟，或在自然条件下寻找。使用模拟阳光，光
13、谱取决于电光源的种类及滤光、反光系统。辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳电池。测量伏安特性的原理框图如下：图4.1 测量伏安特性的电路框图注意：测量太阳电池的电压和电流，应从被测件的端点单独引出电压线和电流线。3.4.1测试项目（1）开路电压Voc（2）短路电流Isc（3）最佳工作电压Vm（4）最佳工作电流Im（5）最大输出功率Pm（6）光电转换效率h（7）填充因子FF（8）伏安特性曲线或伏安特性（9）短路电流温度系数a，简称电流温度系数（10）开路电压温度系数b， 简称电压温
14、度系数（11）内部串联电阻Rs（12）内部并联电阻Rsb3.4.2电性能测试的一般规定3.4.2.1标准测试条件标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱。地面阳光的总辐照度规定为1000 w/m2。标准测试温度规定为25C对定标测试，标准测试温度的允许差为+ 1C。对非定标准测试。标准测试温度允许差为+2C。如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，则必须将测量结果换算到标准测试条件。3.4.3测量仪器与装置（1）标准太阳电池标准太阳电池用于校准测试光源的辐射照度。对AM1.5工作标准太阳电池作定标测试时，用AM1.5二级标准太阳电池校准辐射度。在非定标测试中，一般用AM
15、1.5工作标准辐照度，要求时用AM1.5级标准太阳电池。（2）电压表（包括一切测量电压的装置）电压表的精度应不低于0.5级。电流表内阻应小到能保证在测量短路电流时，被电池两端的电压不超过开路电压的3%。当要求更精确时，在开路电压的3%以内可利用电压和电流的线性关系来推算完全短路电流。推荐用数学毫伏表测量取样电阻两端电压降的方法来测量电流。（4）取样电阻取样电阻的精确度应不低于+0.2%。必须采用四端精密电阻电池短路电流和取样电阻值的乘积应不超过电池开路电压的3%。（5）负载电阻负载电阻应能从零平滑地调节到10KW以上。必须有足够的功率容量，以保证在通电测量时不会因发热而影响测量精度。当可变电阻不能满足上述条件时，应采用等效的电子可变负载。（6）函数记录仪函数记录仪有于记录太阳电池的伏安特性曲线。函数记录仪的精密应不低于0.5级。对函数记录仪内阻的要求和对电压表内阻的要求相同。（7）温度计温度计或测温系统的仪器误差应不超过+0.5C测量系统的时间响应不超过1秒。测量探头的体积和形状应保证它能尽量靠近太阳电池的pn结安装。
