姜飛飛，劉海濤，楊 磊

(中國科學院 電工研究所 太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)質量檢測中心太陽能發(fā)電技術北京市重點實驗室，北京 100190)

1 引 言

光伏電池光電性能是評估電池性能優(yōu)劣的重要依據，而短路電流是光電性能的重要參數之一[1,2]。由于不受自然能環(huán)境因素影響，操作便捷，室內太陽模擬器法是實驗室和工廠生產線常用的電池電流-電壓特性測試方法。太陽模擬器是利用人工光源在實驗室模擬真實太陽光的光譜分布、輻照度等參數的實驗設備，根據其功能特點分為瞬態(tài)型模擬器和穩(wěn)態(tài)型模擬器[3～6]。

由于太陽模擬器光源的光譜分布與標準太陽光譜分布的差異，光源的輻照不均勻度和不穩(wěn)定度也和標準測試條件(AM1.5，溫度 25 ℃，輻照度1 000 W/m2)不一致，因此會影響到光伏電池短路電流測試結果的準確性[7～13]。對于第三方檢測實驗室，為了提高短路電流測試結果的準確性，必須對太陽模擬器的性能進行定期校準，確保模擬器的性能滿足測試要求。

本文研究了穩(wěn)態(tài)型太陽模擬器光譜匹配度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度3個關鍵參數對光伏電池短路電流測試結果的影響。實驗表明，通過對模擬器的關鍵參數進行修正和控制，能夠有效降低短路電流測試值與校準值的偏差，提高測試結果的可重復性。

2 太陽模擬器性能等級劃分

IEC 60904-3:2016給出了標準太陽光譜輻照度分布數據[14]，表1和表2分別表示標準條件下波長范圍為400～1 100 nm和300～1 200 nm內，不同波長區(qū)間內的積分輻照度與總積分輻照度的百分比。光譜匹配度，是指太陽模擬器光源有效波段內的積分輻照度百分比與標準條件下的積分輻照度百分比的比值。

表1 400～1100 nm波長范圍內的積分輻照度的百分比Tab.1 Percentage of total irradiance in the wavelength range 400 nm to 1 100 nm

表2 300～1 200 nm波長范圍內的積分輻照度的百分比Tab.2 Percentage of total irradiance in the wavelength range 300 nm to 1 200 nm

輻照不均勻度，是指在指定測試區(qū)域內，輻照強度隨位置變化的最大相對偏差，輻照不均勻度UUNI的計算公式為：

(1)

式中：Irr-max和Irr-min分別是測試區(qū)域內的輻照度最大值和最小值。

輻照不穩(wěn)定度，是指在指定測試區(qū)域內任意位置上，在一定的時間間隔內，輻照強度隨時間變化的最大相對偏差。輻照不穩(wěn)定度UINS的計算公式為：

(2)

式中：Irrs-max和Irrs-min分別是測試時間內的輻照度最大值和最小值。

輻照不穩(wěn)定度又分為短時不穩(wěn)定度(STI)和長時不穩(wěn)定度(LTI)，差別在于輻照度的采集時長。實際測試過程中，根據電流-電壓特性采集方式和太陽模擬器類型，選擇STI或LTI進行輻照不穩(wěn)定度評估，具體可參考IEC 60904-9:2020的要求。本文的試驗對象是穩(wěn)態(tài)型太陽模擬器，因此采用LTI對輻照不穩(wěn)定度的影響進行分析。

根據太陽模擬器3個關鍵參數(光譜匹配度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度)的數值大小，IEC 60904-9：2020將太陽模擬器的性能等級劃分為4類：A+、A、B、C[15]，具體劃分標準見表3。

表3 太陽模擬器等級劃分Tab.3 Definition of solar simulator classifications

太陽模擬器的性能等級直接影響光伏電池短路電流測量的準確性。對于光伏電池短路電流測量不確定度為2%左右的第三方檢測實驗室，太陽模擬器的等級一般要求為AAA級及以上。

3 實驗結果分析

3.1 光譜匹配度的影響

采用太陽模擬器對光伏電池的短路電流進行測試，太陽模擬光源與標準太陽之間的光譜分布差異、標準電池與被測電池的光譜響應度差異能夠直接影響測試結果的準確性，因此在實際測試過程中需要對光譜失配進行修正。

IEC 60904-7:2019規(guī)定了光譜失配因子SMM(spectral mismatch factor)計算方法[16]，如式(3)所示。

(3)

式中：Eref(λ)是IEC 60904-3規(guī)定的標準太陽輻照度分布；Esource(λ)是被測太陽模擬器光源的光譜輻照度分布；Sref(λ)是標準電池的光譜響應度；SDUT(λ)是被測電池的光譜響應度。

使用光譜儀對太陽模擬器的光譜進行測試，并與AM1.5標準光譜進行比較，測試結果如圖1所示。

圖1 太陽模擬光源和標準太陽光譜輻照度分布Fig.1 Spectral irradiance distribution of solar simulator and reference solar

實驗采用兩塊光伏電池：標準電池J-CH03，標定值為114.1 mA；一塊經過計量機構校準的被測光伏電池J-CH02,校準值為151.0 mA。使用光譜響應測試裝置對標準電池和被測電池分別進行光譜響應測試，測試結果如圖2所示。

圖2 標準電池和被測電池的光譜響應度Fig.2 Spectral responsivity of the reference PV cell and the cell under test

采用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器，J-CH03作為標準電池，對被測電池J-CH02的短路電流進行測試，按照式(3)計算光譜失配修正因子，分別得到修正前和修正后的短路電流值，數據見表4所示。

表4 光譜失配修正前后J-CH02的短路電流數據Tab.4 Short-circuit current data of J-CH02 before and after spectral mismatch correction

從表4中的數據可以看出，對短路電流進行光譜失配修正后，測試值與校準值的一致性更好，偏差降為0.06%。在實際測測試中，太陽模擬器和被測電池的引起的光譜失配誤差，會嚴重影響短路電流測量結果的準確性，因此進行光譜失配修正對于準確評估光伏電池短路電流是至關重要的。

3.2 輻照不均勻度的影響

對于不同類型的光伏電池，其有效測試面積相差很大。最小的鈣鈦礦電池面積只有幾個平方毫米，最大的晶硅電池尺寸達到210 mm×210 mm。光伏電池的尺寸不同，其在太陽模擬器下放置的位置也不同，太陽模擬器的輻照不均勻性對測試結果的準確性影響很大。本文中的太陽模擬器有效光源面積是200 mm×200 mm，為了研究輻照不均勻度對測試結果的影響，選用一塊尺寸為156 mm×156 mm的光伏電池進行遮擋輻照實驗。分別對電池的不同位置進行遮擋，如圖3所示，同時測試遮擋后的電流-電壓特性數據，如表5所示。

圖3 光伏電池遮擋輻照實驗Fig.3 Irradiance shading experiment

表5 光伏電池遮擋后的電流-電壓特性數據Tab.5 Current-voltage characteristics of shaded PV cell

圖4 遮擋后的電流-電壓特性曲線Fig.4 Current-voltage characteristics curve of shaded PV cell

圖4所示的是每次遮擋電池后測得的電流-電壓特性曲線。將短路電流與遮擋率進行線性擬合，如圖5所示，可以看出，短路電流與遮擋率之間呈線性關系。

從上述分析可以看出，對于光伏電池進行短路電流測試，其短路電流測試結果與測試平面內的光源輻照度分布沒有關系，而與測試平面內的平均輻照強度有關。因此對于不同尺寸的光伏電池進行測試，為了減小輻照不均勻度的影響，需要保證被測電池有效輻照平面內的平均輻照強度等于標準輻照強度1 000 W/m2或需要的其他輻照強度。

3.3 輻照不穩(wěn)定度的影響

太陽模擬器的光源不穩(wěn)定度能夠直接影響光伏電池短路電流測試結果的復現性。選用標準光伏電池J-CH03對太陽模擬器的長時不穩(wěn)定度LTI進行測試，分別測試輻照不穩(wěn)定度為0.79%和2.28%時的短路電流。測試時間分別為10 s,記錄每秒鐘短路電流的變化情況。短路電流重復性測試誤差(按照式(4)進行計算。

圖5 短路電流與遮擋率的關系Fig.5 Relationship between short-circuit current and shading rate

(4)

式中：I為每秒鐘測得的短路電流值；n是短路電流數據總數。

表6所示的是不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流測試值的變化情況，短路電流已經按照IEC 60891的要求修正到了標準測試條件下。從表6中數據可以看出，輻照不穩(wěn)定度為0.79%的光照條件下，短路電流重復性測試誤差為0.12%，遠低于輻照不穩(wěn)定度為2.28%下的誤差。對于第三方實驗室，穩(wěn)態(tài)型模擬光源的長時不穩(wěn)定度最好控制在2%之內，才能保證測試結果的可復現性。

表6 不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流變化情況Tab.6 Short-circuit current data under different temporal instability of irradiance

4 結 論

研究了穩(wěn)態(tài)型太陽模擬器光譜失配度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度對光伏電池短路電流測試結果的影響。通過對模擬光源與標準太陽光、標準電池與被測電池進行光譜失配修正，能夠將實驗偏差降低0.26%；對光伏電池進行遮擋輻照實驗，分析輻照不均勻度與被測電池在測試平面內的位置關系，結果表明，當被測電池有效測試平面內的平均輻照強度滿足要求時，能夠最大程度降低輻照不穩(wěn)定度的影響；對不同輻照不穩(wěn)定度條件下的短路電流進行測試，分析輻照不穩(wěn)定度對測試結果重復性的影響，實驗表明輻照不穩(wěn)定度為0.79%的條件下，短路電流測試結果重復性誤差能夠降低0.86%。對于第三方檢測實驗室，太陽模擬器的性能等級，對光伏電池短路電流的測試結果有巨大的影響。為了提高測試結果的準確性，必須確保太陽模擬器的性能滿足要求。