淺談太陽(yáng)模擬器選擇的技術(shù)要點(diǎn)

摘要：太陽(yáng)電池產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格主要取決于太陽(yáng)電池能夠產(chǎn)出的峰值瓦特?cái)?shù)，正確選擇一款合適太陽(yáng)模擬器準(zhǔn)確測(cè)試太陽(yáng)能電池（組件）的發(fā)電性能參數(shù)（如最大化輸出功率和轉(zhuǎn)換效率）對(duì)一個(gè)太陽(yáng)能光伏企業(yè)非常重要。在對(duì)太陽(yáng)模擬器進(jìn)行選擇的時(shí)候，需綜合考慮太陽(yáng)模擬器的模擬光源等級(jí)及使用壽命、I-V測(cè)試系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)，以及太陽(yáng)模擬器制備廠家的制備經(jīng)驗(yàn)，選擇適合本企業(yè)產(chǎn)品類(lèi)型的高性?xún)r(jià)比的太陽(yáng)模擬器。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)模擬器 光源 I-V測(cè)試系統(tǒng)

中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)在2004年之后經(jīng)歷了快速發(fā)展的過(guò)程，連續(xù)5年的年增長(zhǎng)率超過(guò)100%，2010年中國(guó)光伏電池產(chǎn)量已超過(guò)全球總產(chǎn)量的50%。目前已有數(shù)十家太陽(yáng)能光伏公司分別在海內(nèi)外上市，誕生了如無(wú)錫尚德、保定英利、寧晉晶澳等一批具備較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的太陽(yáng)能光伏企業(yè)。由于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品的價(jià)格不像其它產(chǎn)品那樣是以尺寸、重量或件數(shù)為公制來(lái)衡量，太陽(yáng)電池產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格主要取決于太陽(yáng)電池能夠產(chǎn)出的峰值瓦特?cái)?shù)，這就決定了太陽(yáng)能光伏行業(yè)是一個(gè)以產(chǎn)品質(zhì)量（高轉(zhuǎn)換效率）為驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式，也同樣突出了正確選擇一款合適太陽(yáng)模擬器，準(zhǔn)確測(cè)試太陽(yáng)能電池性能參數(shù)（如最大化輸出功率和轉(zhuǎn)換效率）的重要性。反之，太陽(yáng)模擬器選擇不合理帶來(lái)的測(cè)量誤差，則會(huì)直接導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏企業(yè)和客戶(hù)之間的經(jīng)濟(jì)損失和貿(mào)易爭(zhēng)端。

太陽(yáng)模擬器測(cè)試原理圖如圖一:

目前，市場(chǎng)上對(duì)每一種應(yīng)用和價(jià)位都有不同型號(hào)的產(chǎn)品，還有許多正在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用太陽(yáng)模擬器對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行測(cè)試，是研究的需要，也是質(zhì)量保證和生產(chǎn)所需。對(duì)于不同的行業(yè)，如用于太空或者在地面，測(cè)量精度、速度和參數(shù)的重要性會(huì)有不同，但在選擇太陽(yáng)模擬器時(shí)，不管哪種型號(hào)，我們需重點(diǎn)關(guān)注太陽(yáng)模擬器以下兩個(gè)關(guān)鍵部件：

1 太陽(yáng)模擬器的模擬光源

光源是模擬器中最能體現(xiàn)技術(shù)含量的部分。目前商業(yè)化太陽(yáng)模擬器分為兩類(lèi)，一類(lèi)是穩(wěn)態(tài)模擬器(例如濾光氙燈，雙色濾光鎢燈-ELH燈或改進(jìn)的汞燈)，這類(lèi)模擬器適用于單體電池和小尺寸組件的測(cè)試。另一類(lèi)是脈沖模擬器，由一個(gè)或者兩個(gè)長(zhǎng)弧氙燈組成，這類(lèi)模擬器在大面積范圍內(nèi)的輻照均勻度好，適合大尺寸組件的測(cè)試。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-9根據(jù)光譜匹配度（spectral match，SM）、輻照不均勻度（irradiance non-uniformity，IU）和輻照不穩(wěn)定度(temporal instability)，把光源分為ABC三級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，只要光譜匹配度在0.75-1.25之間，不均勻度在±2%，LTI在±2%，STI在±0.5%，就屬于A級(jí)光源（AAA），具體詳見(jiàn)太陽(yáng)模擬器等級(jí)分類(lèi)要求見(jiàn)（表一）

下面就光源質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)做進(jìn)一步的介紹。

光譜匹配度：光譜匹配度的定義是模擬光在6個(gè)光譜范圍內(nèi)與太陽(yáng)光的匹配程度，用百分比來(lái)表示。任何數(shù)據(jù)的偏離情況都能對(duì)模擬器匹配程度的等級(jí)進(jìn)行劃分。對(duì)于AAA級(jí)產(chǎn)品，理想的匹配百分比范圍是0.75 到1.25。由于Pasan擁有更為優(yōu)良的濾波鏡片，使得Pasan的光源表現(xiàn)出色，其LMT和VLMT兩個(gè)系列的光源，已達(dá)到了AA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比IEC的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)高出一倍：SM<±12.5%，IU<1%，LIT<1%，STI<0.5%，模擬器光譜圖詳解圖2。

輻照的均勻度：是指在指定測(cè)試區(qū)域的輻照度應(yīng)達(dá)到一定的均勻度，光照均勻性是最難達(dá)到和保持一項(xiàng)指標(biāo)，工作面積上的強(qiáng)光點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致被測(cè)電池效率產(chǎn)生的嚴(yán)重誤差和其他性能的紊亂。AAA級(jí)產(chǎn)品就能將這種強(qiáng)光點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的影響降到最低，其空間均勻性嚴(yán)格控制于≤±2%。

輻照的穩(wěn)定度：輻照穩(wěn)定度是AAA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的第三項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)，它要求模擬器的輸出光束長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的照度以確保太陽(yáng)能電池效率測(cè)定的精確性，對(duì)于輻照不穩(wěn)定度，還細(xì)分為長(zhǎng)期不穩(wěn)定度（LTI）和短期不穩(wěn)定度（STI），分別對(duì)應(yīng)整個(gè)IV測(cè)試過(guò)程中輻照度的變化和取點(diǎn)過(guò)程中輻照度的變化。脈沖時(shí)間對(duì)于晶體硅電池而言，是完全沒(méi)有影響的，因?yàn)槠漤憫?yīng)時(shí)間（response time 或者delay time）非常短，在測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，電池早已達(dá)到飽和。但是對(duì)于染料敏化電池、非晶硅薄膜電池尤其是多結(jié)、HIT和Sunpower等其他結(jié)構(gòu)的電池，其響應(yīng)時(shí)間（delay time）從幾個(gè)ms到幾百個(gè)ms不等，其響應(yīng)時(shí)間在取點(diǎn)時(shí)太陽(yáng)電池是否已經(jīng)飽和穩(wěn)定，是個(gè)必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

2 I-V測(cè)試系統(tǒng)

太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)增加了對(duì)太陽(yáng)能電池（及太陽(yáng)能模組）測(cè)試和測(cè)量解決方案的需求，所有I-V測(cè)試系統(tǒng)都主要由電子負(fù)載，數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。進(jìn)行IV曲線測(cè)試，要在極短的時(shí)間內(nèi)，通常幾個(gè)ms到十幾個(gè)ms，記錄輻照度、電流和電壓信號(hào)。但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這已經(jīng)不是問(wèn)題，就算最低的太陽(yáng)模擬器QuickSun，以10bits的速度，也能在2ms內(nèi)同時(shí)采集輻照度，電流和電壓信號(hào)，取得4096個(gè)數(shù)據(jù)組，然后將鄰近8個(gè)平均，得到512個(gè)IV曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)，這里需處理的關(guān)鍵是如何改善信噪比和保證精度。

而且隨著太陽(yáng)能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測(cè)試需要運(yùn)用更大的電流和更高的功率水平，這就要求采用更加靈活的I-V測(cè)試系統(tǒng)。雖然各廠家的太陽(yáng)模擬器的I-V測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)略有不同，但都根據(jù)的太陽(yáng)電池的等效電路原理如圖3：

測(cè)量的重要參數(shù)有Pmax，Imax，Vmax，Isc，Voc，F(xiàn)F，Eff，Rs， Rp以及I-V曲線，各主要參數(shù)標(biāo)注如圖4。

在測(cè)試較小的單個(gè)電池時(shí)，它們的最大電流和功率是太陽(yáng)模擬器的I-V測(cè)試系統(tǒng)可接受的，但是隨著太陽(yáng)光伏組件技術(shù)向更大的尺寸推進(jìn)，組件的尺寸輸出將很快會(huì)超出太陽(yáng)模擬器的有效光譜輻照度的量測(cè)范圍。在這些情況下，測(cè)試工程師應(yīng)當(dāng)借助于電子負(fù)載、直流電源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括溫度測(cè)量、掃描、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，進(jìn)行戶(hù)外測(cè)試，并且達(dá)到預(yù)期的測(cè)試精度。但戶(hù)外測(cè)試時(shí)，需要考慮的另一項(xiàng)因素是溫度。因?yàn)殡姵氐男阅軙?huì)受到溫度的影響，因此需要在測(cè)試中監(jiān)視溫度。不僅電池性能依賴(lài)于溫度，而且測(cè)試設(shè)備的性能也依賴(lài)于溫度。如果測(cè)試溫度與標(biāo)定溫度之差大于2℃，則必須對(duì)測(cè)試值按實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行校正。

穩(wěn)態(tài)氙燈雖然適合于薄膜、多結(jié)等長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的電池測(cè)試，但技術(shù)上氙燈穩(wěn)態(tài)光源達(dá)到大面積的AAA標(biāo)準(zhǔn)，還有一段路要走，并且穩(wěn)態(tài)模擬器的造價(jià)不菲。英國(guó)和德國(guó)有幾家公司使用LED或金鹵燈作穩(wěn)態(tài)光源，只能到BBA甚至CBA的標(biāo)準(zhǔn)。目前已有廠家采用氙燈穩(wěn)態(tài)光源，能達(dá)到AAA標(biāo)準(zhǔn)，更為適合測(cè)試長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的電池，但存在價(jià)格高且能耗大的不足。光伏企業(yè)在選購(gòu)太陽(yáng)模擬器時(shí)還需考慮模擬器光源的使用壽命，以達(dá)到最大性?xún)r(jià)比。有些太陽(yáng)模擬器的光源采用了高電流密度，導(dǎo)致其氙燈壽命很短，只有1萬(wàn)到3萬(wàn)次，而有些太陽(yáng)模擬器的壽命由于采用了其他技術(shù)，其光源的壽命則可達(dá)50萬(wàn)次。

脈沖模擬器由于在大面積范圍內(nèi)輻射度均勻性好，能夠更好地適應(yīng)于大尺寸組件的測(cè)試，這類(lèi)模擬器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，被測(cè)電池?zé)彷斎肟梢院雎裕@樣在測(cè)試時(shí)被測(cè)點(diǎn)出與環(huán)境測(cè)試溫度保持一致，而環(huán)境溫度是可以很容易精確測(cè)量的。脈沖模擬器能更為廣泛使用的原因主要有兩點(diǎn)：一是經(jīng)濟(jì)性，單閃光源的能耗、造價(jià)都要比穩(wěn)態(tài)光源低很多；二是測(cè)試時(shí)，組件的升溫單閃光比穩(wěn)態(tài)光相對(duì)要小。有研究報(bào)告認(rèn)為，要準(zhǔn)確測(cè)量這種長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的電池，光脈沖時(shí)間需達(dá)100ms甚至更長(zhǎng)的脈沖長(zhǎng)度和測(cè)試時(shí)間。若單閃長(zhǎng)脈沖技術(shù)能取得突破，則對(duì)穩(wěn)態(tài)氙燈在長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間電池領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)造成極大沖擊。

總之，我們?cè)谶x購(gòu)太陽(yáng)模擬器的時(shí)候首先要關(guān)注太陽(yáng)模擬器的兩個(gè)關(guān)鍵部件，一個(gè)是光源，另一個(gè)則是I-V測(cè)試系統(tǒng)。除此之外，則需考慮太陽(yáng)模擬器的控溫系統(tǒng)，甚至需更進(jìn)一步評(píng)估各太陽(yáng)模擬器廠家的對(duì)太陽(yáng)模擬器測(cè)量技術(shù)的理解，對(duì)他們所采用的被測(cè)太陽(yáng)電池串并聯(lián)電阻計(jì)算方法的科學(xué)性做一個(gè)全面的評(píng)估，如此，才能真正買(mǎi)到一款適合各企業(yè)自身產(chǎn)品的太陽(yáng)模擬器。

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