太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V 特性測試的影響分析

陳昊旻，朱冰潔

(無錫市檢驗檢測認證研究院，無錫 214000)

0 引言

自2015 年發射極鈍化和背面接觸(PERC)光伏組件面向光伏市場并逐漸取代傳統鋁背場光伏組件以來，經過多年發展，PERC 光伏組件的光電轉換效率已接近理論極限，提升速度緩慢，在此情況下，生產廠家開始將目光投向異質結(HJT)、全背電極接觸(IBC)、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)等光電轉換效率更高的光伏組件[1-3]。由于光伏組件類型不同，其光譜響應能力也不同，導致進行光伏組件I-V特性測試時使用的太陽光模擬器存在光譜失配的情況[4]，影響測試結果。

基于此，本文選取3 臺以氙燈作為光源的不同品牌的太陽光模擬器，分別測試其光譜輻照度，并采用這3 臺太陽光模擬器分別測試市場上常見類型光伏組件的光譜響應特性，然后通過計算光譜失配因子來分析評估太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V特性測試的影響。

1 太陽光模擬器光譜

IEC 60904-9: 2020《Photovoltaic devices——Part 9: Classification of solar simulator characteristics》[5]可用于評價太陽光模擬器性能，其在AM1.5 下評價太陽光模擬器光譜時用到的參數包括光譜匹配度、光譜覆蓋率(SPC)和光譜偏離率(SPD)。其中，光譜匹配度為各波長區間內太陽光模擬器光譜的輻照度占比與相應波長區間內標準太陽光譜(AM1.5G)的輻照度占比的比值，是評價太陽光模擬器光譜的主要指標。而SPC 和SPD 主要用于反映光譜匹配度無法體現的偏差。

目前，太陽光模擬器主要采用3 種光源，分別為鹵素燈、氙燈及LED 燈。其中，鹵素燈光譜與AM1.5G 差異較大，其主要用于光伏組件的光致衰減、熱斑、溫升等實驗測試，而不用于I-V特性測試。氙燈光譜與AM1.5G 較為接近，是目前太陽光模擬器采用的主流光源。LED 燈作為瞬態太陽光模擬器光源時，具有脈沖時間長的優點，在消除高容性光伏組件電容效應時具有優勢。LED 燈光譜由光照模塊中的多個LED 燈實現，當模塊中的LED 燈數量較少時，光譜匹配度較低，而LED 燈數量較多時，雖然光譜匹配度較高，但因為是不連續光譜，仍舊與AM1.5G存在較大差異；同時其成本較高，目前仍在發展中，還未成為主流光源。

為分析太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V特性測試的影響，選擇3 臺目前主流的不同品牌太陽光模擬器，均采用氙燈作為光源，分別命名為模擬器A、模擬器B 和模擬器C，使用光纖光譜儀測試其在300～1200 nm 波長范圍內的光譜輻照度，測得的光譜輻照度曲線如圖1 所示。

圖1 3 臺太陽光模擬器的光譜輻照度曲線Fig. 1 Spectral irradiance curves of three solar simulators

根據IEC 60904-9:2020 的要求，將圖1 中3臺太陽光模擬器測得的光譜輻照度結果按照波長分為6 個區間，波長區間分別為300～470、470～561、561 ～657、657 ～772、772 ～919、919 ～1200 nm，然后對每個波長區間內的光譜輻照度進行積分，并將積分結果除以300～1200 nm 波長區間的總光譜輻照度，得到每個波長區間內的光譜輻照度占比；將6 個波長區間的光譜輻照度占比分別與IEC 60904-3:2019《Photovoltaic devices—— Part 3:Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data》[6]中AM1.5G 相同波長區間內的輻照度占比進行比較，得到3 臺太陽光模擬器各自的光譜匹配度，具體如表1 所示。

表1 3 臺太陽光模擬器的光譜匹配度Table 1 Spectral matching degree of three solar simulators

光譜匹配度由高到低一共分為4 個等級，分別為A+、A、B、C。相對于AM1.5G，不同等級光譜匹配度對應的數值區間分別為不超過87.5%～112.5%、75.0%～125.0%、60.0%～140.0%、40.0%～200.0%，模擬器各波長區間光譜匹配度相對于AM1.5G 偏離最大值處于哪個等級區間，就判定模擬器光譜匹配度為對應等級。因此，3 臺太陽光模擬器的光譜匹配度均為A+級。

2 實驗結果和分析

2.1 光譜失配因子

由于太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V特性測試結果的影響主要體現在光譜失配方面，當光譜失配因子(SMM)大于1 時，表明測試結果相對于實際值偏高；當光譜失配因子小于1 時，表明測試結果相對于實際值偏低。因此，本文通過計算光譜失配因子，根據其大小和測試不同類型光伏組件時其值變化范圍等方面，來分析太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V特性測試的影響。采用WPVS 單晶硅參考太陽電池作為參考器件[7]，以目前市場上主流的PERC 光伏組件、HJT 光伏組件和TOPCon 光伏組件作為測試樣品，使用量子效率測量儀分別測試這3 種光伏組件和1 個參考器件(下文統稱為“光伏器件”)的光譜響應情況，并進行歸一化。4 種光伏器件歸一化后的光譜響應曲線如圖2 所示。

圖2 4 種光伏器件歸一化后的光譜響應曲線Fig. 2 Normalized spectral response curves of four PV devices

從圖2 可以發現：4 種光伏器件在300 nm處開始光譜響應，然后光譜響應不斷增強，在900～1000 nm 附近達到峰值，然后快速下降，在1200 nm 處趨于零。

IEC 60904-7:2019《Photovoltaic devices——Part 7: Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices》[8]中光譜失配因子的計算式可表示為：

式中：Eref(λ)為參考光譜在特定波長λ下的輻照度；Emea(λ)為測試所用光源在特定波長λ下的光譜輻照度；Sref(λ)為參考器件在特定波長λ下的光譜響應率；SDUT(λ)為被測光伏組件在特定波長λ下的光譜響應率。

結合式(1)得到的計算結果，采用3 種太陽光模擬器時4 種光伏器件的光譜失配因子如表2所示。

表2 采用3 種太陽光模擬器時不同類型光伏器件的光譜失配因子Table 2 Spectral mismatch factors of different types of PV devices when using three solar simulators

從表2 可以看出：即使3 種太陽光模擬器光譜匹配度都達到了A+級，但因為參考器件與3種光伏組件光譜響應存在差異，導致在測試3 種光伏組件I-V特性時仍存在最大0.68%的偏差。因此，若不能采用與測試樣品具有相同光譜響應的參考器件，需要考慮光譜失配對測試結果造成的影響。

2.2 光譜分布的影響

光譜匹配度是評價太陽光模擬器光譜分布的主要指標。雖然實驗中使用的3 臺太陽光模擬器光譜匹配度均為A+級，但從表2 可以看出：相對于參考器件，使用模擬器A 測試時，PERC、HJT、TOPCon 3 種光伏組件的光譜失配因子均大于1；使用模擬器B、C 測試時，3 種光伏組件的光譜失配因子均小于1。3 臺光譜匹配度等級相同的太陽光模擬器，其光譜失配因子卻并不相同，這是因為：1)由于太陽光模擬器的光譜輻照度占比偏差存在正負值，±12.5%以內均可評價為A+級，然而正負偏差會影響光譜失配因子的結果；2)雖然評價光譜匹配度等級時是將每個波長區間內的光譜輻照度進行積分后通過計算得到的，但每個波長區間仍然較寬，在每個波長區間內存在多個尖峰和低谷，互相補償，使不同波長區間內的太陽光模擬器光譜輻照度占比接近，但尖峰和低谷的數量、大小和位置卻存在差異，這種差異也會影響光譜失配因子的結果。因此，光譜匹配度等級只能總體評估太陽光模擬器光譜與AM1.5G 的匹配程度，卻無法決定光譜失配因子的大小。

結合圖1、圖2 可以發現：在600～950 nm波段模擬器A 的總光譜輻照度弱于模擬器B 和C 的總光譜輻照度，而在960～1200 nm 波段模擬器A 的總光譜輻照度強于模擬器B 和C 的總光譜輻照度；并且在600～950 nm 波段3 種光伏組件的光譜響應弱于參考器件的光譜響應，在960～1200 nm 波段3 種光伏組件的光譜響應強于參考器件的光譜響應。相對于參考器件的光譜響應，在測試樣品光譜響應更弱處，模擬器A的光譜輻照度低于模擬器B 和C 的光譜輻照度；在測試樣品光譜響應更強處，模擬器A 的光譜輻照度高于模擬器B 和C 的值。因此，模擬器A 的光譜失配因子大于模擬器B 和C 的光譜失配因子。綜上，模擬器A 的光譜失配因子大于1。由此可見，光譜失配因子的大小由參考器件光譜響應和測試樣品光譜響應差異處的光譜分布決定。

2.3 SPC 的影響

SPC 的計算式可表示為：

式中：CSP為太陽光模擬器的SPC；ESIM(λ)為太陽光模擬器在特定波長λ下的光譜輻照度；EAM1.5(λ)為AM1.5G 在特定波長λ下的輻照度；Δλ為波長間隔。

根據式(2)計算得到3 臺太陽光模擬器的SPC，具體如表3 所示。

表3 3 臺太陽光模擬器的SPCTable 3 SPC of three solar simulators

由表3 可知：3 臺太陽光模擬器的SPC 為100%或接近100%。這主要是因為，SPC 主要用于評估太陽光模擬器光譜在300～1200 nm 波長范圍內的覆蓋程度，由于3 臺太陽光模擬器均是以氙燈作為光源，氙燈光譜連續光譜且與AM1.5G 較為接近；而A+級是光譜匹配度的最高等級，此等級的光譜分布與AM1.5G 十分接近。因此，當太陽光模擬器光源為氙燈且光譜匹配度等級為A+時，其SPC 通常接近100%。

2.4 SPD 的影響

SPD 的計算式為：

式中：DSP為太陽光模擬器的SPD。

根據式(3)計算得到3 臺太陽光模擬器的SPD，具體如表4 所示。

表4 3 臺太陽光模擬器的SPDTable 4 SPD of three solar simulators

由表4 可知：雖然3 臺太陽光模擬器的光譜匹配度均為A+級，但模擬器A 的SPD 卻最低，為 15.09%，明顯優于模擬器B 和C 的SPD。這是因為在300～1200 nm 波段內，模擬器A 的光譜輻照度曲線與AM1.5G 的更為接近，而模擬器B 和C 的光譜輻照度曲線存在較多的尖峰和低谷，且尖峰較高，低谷較深，因此導致這3 臺太陽光模擬器的光譜匹配度雖然較為接近，且均為A+級，但模擬器A 的SPD 卻明顯優于模擬器B和C 的SPD。

SPD 可用于評估太陽光模擬器光譜與AM1.5G 的實際偏離程度。不同于光譜匹配度，光譜匹配度可能會因為某個波長范圍內一部分光譜輻照度強于AM1.5G 的輻照度，一部分弱于AM1.5G 的輻照度而導致整個光譜匹配度接近100%；而SPD 是太陽光模擬器每個波長區間內光譜輻照度與AM1.5G 輻照度相對偏差的絕對值之和，SPD 可能會大于100%，當SPD 等于零時，光譜輻照度曲線必定與AM1.5G 的輻照度曲線完全一致。

結合表2、表4 可看出：模擬器A 的光譜失配因子范圍為1.0000～1.0021，極差為0.0021，明顯優于模擬器B(光譜失配因子范圍為1.0000～0.9950，極差為0.0050)和模擬器C(光譜失配因子范圍為1.0000～0.9932，極差為0.0068)的值。模擬器A 的SPD 明顯優于模擬器B 和模擬器C的值，同時光譜失配因子的極差也明顯小于模擬器B 和模擬器C 的值，與預期相符。但模擬器C 的SPD 略小于模擬器B 的值，光譜失配因子極差卻略大于模擬器B 的值。

模擬器B 的光譜輻照度與AM1.5G 的輻照度偏差主要是因為在300～350 nm 波長范圍內模擬器B 幾乎無光譜輻照度，而在680～1000 nm波長范圍內卻存在多個尖峰和低谷，且在1000～1100 nm 波長范圍內存在一個長低谷。而模擬器C 的光譜輻照度與AM1.5G 的輻照度偏差主要是因為在680～1000 nm 波長范圍內模擬器C 存在多個尖峰和低谷，且在 1000～1100 nm 波長范圍內存在一個長低谷。模擬器B 和C 的光譜輻照度曲線在1000～1100 nm 波長范圍內的長低谷較為接近。雖然模擬器B 在300～350 nm 波長范圍內幾乎無光譜輻照度，但是此處光伏組件的光譜響應也很弱，對光譜失配因子的影響相對較小；而在680～1000 nm 波長范圍內，雖然模擬器B 和C 都存在多個尖峰和低谷，但模擬器C 的尖峰要明顯高于模擬器B 的，而且此波長范圍內光伏組件光譜響應較強，因此雖然模擬器B 的SPD 略大于模擬器C 的值，但是光譜失配因子變化范圍小于模擬器C 的值。

綜上可知，當太陽光模擬器光譜SPD 較小時，通常測試不同類型光伏組件的光譜失配因子差距較小時，光伏組件I-V特性測試結果的偏差也就較小。此規律在兩臺模擬器SPD 差距較大或SPD 值均很小時較為明顯，但若是兩臺模擬器SPD 較為接近或SPD 值均很大時，則需要根據實際的光譜輻照度曲線進行具體分析。

3 結論

本文從光譜匹配度、SPC 和SPD 的角度對3臺太陽光模擬器光譜進行了分析，并結合目前市場上主流的PERC、HJT、TOPCon 3 種類型光伏組件的光譜響應特性，通過計算光譜失配因子來分析光譜對光伏組件I-V特性測試結果的影響。結果顯示：

1)光伏組件I-V特性測試結果偏高或偏低與光譜匹配度等級無關，而是由參考器件光譜響應和測試樣品光譜響應差異處的光譜分布決定。

2)通常，A+級光譜匹配度的太陽光模擬器SPC 接近100%，在光譜匹配度等級一致時，使用SPD 較小的太陽光模擬器測試光伏組件I-V特性，得到的結果偏差更小。

3)目前A+級為太陽光模擬器光譜匹配度的最高等級，但因為參考器件與3 種測試樣品的光譜響應存在差異，導致在測試樣品的I-V特性時仍存在最大0.68%的偏差。因此，為更準確測試光伏組件的I-V特性，推薦使用與樣品具有相同光譜響應的參考器件，或進行光譜失配修正。