太阳电池组IV件测试方法

1、太阳电池组件I-V特性曲线的测试孔凡建（江苏辉伦太阳能科技有限公司，南京江苏210032）太阳电池组件的销售是以组件在标准测试条件卜的额定输出功率为单位，但是怎样准确地获得这个额定功率却长期地困扰着组件的生产者和采购者。这里包括与标准测试条件相关的测駅标准器、测駅环境、测屋设备和测堂的操作过程等问题。为了方便，在I、而的讨论中，凡是涉及一般测最的讨论,被测最器件一般使用“组件”一词代表：而对有特别指向的被测最器件，则使用专有名称，例如标准A阳电池、参考太阳电池组件等。太阳电池测量标准器的产生和作用测磧太阳电池或者太阳电池组件，一般使用标准A阳电池传递测最值到标准人阳电池组件作为测最标准器，而标

2、准人阳电池是由绝对辐射计传递光能起计駅单位的。根据光能起计駅专家的介绍，通过国际比对产生的绝对辐射计计最光能鼠的不确定度是0.7%（U95）。但是，理论上绝对辐射计是无光谱选择性的，而人阳电池是有光谱选择性的，所以不能直接将绝対辐射计的计駅结果传递到太阳电池上面來。制作标准人阳电池，需要通过一套复杂的光谱测鼠仪器完成这个传递。由J：传递技术的复杂性和不确定性，传递过程带來了许多误差，使得标准太阳电池对光能屋的测堂的误差超出了人们常规的想彖。目前通过国际比对获得的标准太阳电池的标准偏差是1.9%（U95）。为什么是1.9%?怎样得到的这个数值？我们必须回顾PEP93国际参考太阳电池比对。从199

3、3年开始至!I1997年结束的PEP93国际标准太阳电池比对活动（PEP93Intercompai-isonofReferenceCellCalibrations）,有8个国家的17个太阳电池测试实验室参加，包括美国的NREL、德国的PTB、口本的JQA/ETL和中国的TIPS（天津电源研究所一十八所）。通过统计分析这些实验室的测试结果，筛选掉了包含极人误差的数据，最终上述四个实验室测最数据被采用。其中，NERA与标定值的平均偏差是一0.3%,PTB与标定值的平均偏差是一1.1%,JQA/ETL与标定值的平均偏差是+0.3%,TIPS与标定值的平均偏差是+L2%。这里，不能根据偏差的丿、小解释

4、谁的数据更准确，实际的习惯是依据市场的权威性。由这些实验室送样的参考电池片作为世界上太阳电池标准的原级被各个实验室保存卜來，并且在目前的标准传递过程中使用。这里应该注意的是，所谓标准太阳电池的标定值，是在AM1.5光谱分布、1000W/m2光辐照度、A阳电池温度25C条件卜，标准太阳电池输出的短路电流值，代表在规定光谱条件对光源输出的光辐照度能駅的计最。而标准太阳电池/组件的传递过程，也是首先使用标准太阳电池的标定值（短路电流）对光源的辐照度进行标定，在标定的光源卜测堂传递值（短路电流）给被传递的工作标准太阳电池/组件。组件的测试方法从标准太阳电池到标准A阳电池组件Z间对光能崑计帚值传递的过程

5、与我们生产过程中测鼠A阳电池组件的过程是相似的，只是对与设备、环境和操作的要求更严格。首先将被测最的A阳电池或者组件与标准太阳电池一同放置在恒温25C的实验室内。放置的时间一般根据被测鼠物品的质嶷，也就是预计被测最物品达到25C所需要的时间决定，为了工作的方便，组件一般要放置12小时以上。使用合格的太阳电池组件测试系统，包括A级太阳模拟器、电子负载和高速数据采集器，必要的数据处理、显示和存储设备。这里简单地介绍一般脉冲式组件测试系统的工作过程：a）触发脉冲太阳模拟器光源；b）数据采集器采集由标准太阳电池发出的光辐照度信号并且传递给控制器；c）当光源的光辐照度达到预定的要求，控制器触发电子负载以

6、电压或者电流的方式打描组件的V特性。电子负载完成打描组件i-v特性的时间，必须与脉冲太阳模拟器光源所发生的脉冲光中一段辐照度相对稳定的区间相吻合；同时，数据采集器分别采集组件两端的电压、负载电阻两端的电压(代表组件的输出电流)、标准太阳电池负载电阻上的电压(代表标准太阳电池的输出电流，也代表了光辐照度)，温度传感器输出的温度信号(一般以电压方式)。上述采集过程是同步进行的：当电子负载在规定的时间内以电流方式或者电压方式从I-V特性曲线的短路端(或者开路端)向开路端(或者短路端)打描完毕，全部数据采集完毕。此时控制器开始依照固定的规贝I，将被测最组件的输出电流和电压归一化到标准光辐照度和标准温度

7、上去；控制器通过显示器显示经过修正的电流和电压数据并将这些数据存储起來。这个测最过程就完成了。使用标准太阳电池的短路电流或者标准太阳电池组件的短路电流将太阳模拟器输出的辐照度标定为标准辐照度，太阳电池组件测试系统将这个标定值通过太阳电池组件测试系统自身安装的参考A阳电池输出的短路电流作为标准记录并保存。在后续的测帚中，如果太阳模拟器输出的辐照度发生变化,太阳电池组件测试系统的中心控制器会依据保存的作为标准辐照度的参考太阳电池的短路电流自动修正这个波动。作为标准太阳电池组件的传递，在标准测量条件卜测最短路电流之后就已经完成了。获得i-v特性曲线、开路电压以及工作电流和电压，在任何复现被传递的太阳

8、电池组件的短路电流的辐照度F都可以实现。因为对于一个组件，在标准测最条件下，i-v特性是不可改变的。根据标准测试条件的要求，在不符合AM1.5光谱条件的模拟器I、测最组件，需要对光谱进行修正。修正系数的公式如下：IsJeo(X)Qt(X)JX/Je0)Q0)必fe(X)Q/X)JXItJeo(X)Qo(Z)/Je(X)Qo(X)弘Je0)Q0)办其中：n代表修正系数Is代表被测组件在AM1.5标准光谱辐照度eo(X)卜输出的短路电流It代表被测组件在模拟器的光谱辐照度et(X)卜输出的短路电流eo(X)代表AM1.5标准光谱辐照度ex(X)代表太阳模拟器e：的光谱辐照度Qo(X)代表标准太阳电

9、池的绝对光谱响应Qx(X)代表被测组件的绝对光谱响应根据上式可以看出，如杲模拟器的光谱辐照度“(X)与AM1.5标准光谱辐照度eo(X)ffl同，修正系数为1：或者标准太阳电池的绝对光谱响应Qo(X)与被测组件的绝对光谱响应Qx(X)和同，修正系数为1。也就是说，如果我们可以获得满足AM1.5光谱的太阳模拟器，或者被测起的组件的光谱响应与参考太阳电池的光谱响应相同，就没有必要进行光谱修正。实际上，这两个愿望都是无法实现的，即使完全同材料同工艺制造的太阳电池的光谱响应也不可能完全相同。然而，进行光谱修正是一个复杂的过程，在实际生产中几乎不被采用。由此，在光能量计最的传递过程中就引入了光谱失配的误

10、差。这是一个复杂的误差。同时，测鼠系统，在组件的测鼠过程中是指对组件的电压值、电流值以及温度和对参考太阳电池的短路电流值进行测最的设备，也存在着系统误差。这个误差是人家最容易理解，也是光能最传递过程中所引入的各个误差项中最简单的误差，就是数据采集系统的误差。比如，12位数据采集器的满最程误差0.04%,参考电池和被测崑组件的负载电阻的误差都为0.5%,则在满起程条件卜短路电流测量值的测量系统误差应该有：W2X(0.04%)2+(0.5$)1/2=1.001%如果测乗系统的绝对误差与测昴范【韦I的关系是线性的，也就是测最系统的绝対误差与所测駅值的比是固定的，上式所表达的测崑系统误差是有效的。但是

11、，并不是所有的测最系统都可以实现线性测鼠误差的要求，何些测最系统的误差绝对最是固定的。一个固定绝对误差的测最系统，如果满帚程测最误差是0.5%,半最程的测最误差就是1%,1/4堂程的测最误差就是2%。而测屋不可能在满最程条件卜完成，这就导致了非常严重的测駅系统误差。所以对J：测量系统的校准，不仅仅要求满最程的准确度，还要求在不同测最值的准确度，共至不同温度和测试频率卜的准确度。还需要考虑的误差包插；温度测鼠的误差，一般的温度测鼠误差为士TC；太阳模拟器光辐照度均匀性误差。偶然性误差：主要由操作人员的作业习惯决定；还包括组件实际温度引入的误差；対J：闪光太阳模拟器，往往把光的不稳定性引入的测量误

12、差归J：偶然性误差；上述的误差，实际属J：两类，一类是属J：系统误差或者是固定误差，另一类属J：偶然性误差或者随机误差。总的测鼠误差由所有误差的儿何和來决定，并且偶然性误差必须考虑置信区间。德国TUV实验室在传递标准值的过程中，对组件的测量值给出了不同的误差值：峰值功率Pm的总不确定度W3.5%(UQ;短路电流Isc的总不确定度W3$(U95);开路电压Voc的总不确定度1%();也就是说从原级标准A阳电池短路电流标定值的标准偏差1.9%(U95)的水平传递到工作标准太阳电池组件的短路电流，传递过程人约产生了2.32%的传递误差。而且，峰值功率Pm的总不确定度应该是电流测最不确定度与电压测最不

13、确定度的某种和。正如本文所指出的，TUV也没有针对每一个被测量的组件做专门的光谱修正。另一个必须澄清的概念是，这里给出的不确定度，也就是我们通常所说的误差，是指：对I单次测最，测最值误差小J：总不确定度的概率是95%。也就是说，这个测炭值的误差有5%的可能超出了我们要求的误差大小。太阳模拟器测最组件的太阳模拟器的基本要求是：光辐照度在8001200W/m：内连续可调；在有效辐照面积内的辐照不均匀度W2；辐照不稳定度Wl:A级光谱分布满足卜表的要求：波长间隔(Um)相对光谱辐照度分布條)和分布误差0.4-0.518.5+20%0.5-0.620.120%0.6-0.718.3+20%0.7-0.

14、814.8+20%12.2+20%0.8-0.916.1+20%0.9-1.1其中Eniax代表该区域内最丿、辐照度,Emm代表该区域内最小辐照度。检验辐照不稳定度的方法相同,仅仅是要固定在一个点上在规定的时间间隔内测量。太阳模拟器光辐照度的不均匀性，在组件I-V特性曲线异常中的影响是明显的，也可能产生比较人的测最误差。例如，在一个A级太阳模拟器I、测嵬某个组件中，一些输出功率低的太阳电池处J：比较高的辐照度卜，另一些输出功率高的A阳电池处J：比较低的辐照度卜，而在另一个A级太阳模拟器卜测駅恰好相反，就可能产生最人8%的短路电流测駅值的差别。当然，这个问题可以通过对称测帚的方法发现并消除。目前

15、，测最组件茯至点阳电池，都使用闪光模拟器，因为稳态模拟器所产生的热駅对测最的影响儿乎无法消除，特别是对于大面积的测量。使用闪光模拟器，就代表着没有稳定的光辐照度。为了解决这个问题，实际测駅是采用同步测最然后光辐照度修正的方法，也就是同时采样A阳电池组件的电压、电流和参考太阳电池的短路电流，然后将参考太阳电池标定的光辐照度归一化到标准光辐照度，得到的修正系数修正被测组件的电流。在高J-80%标准光辐照度的水平，太阳电池的开路电压几乎不随光辐照度的増加而增加，所以一般不对开路电压进行修正。太阳模拟器的光源，一般使用毎灯。在人造光源中，虽然鼠灯光源光谱分布与太阳光的光谱分布最接近，如图1所示，也存在

16、着很人的差别，其中紫外和红外部分都明显偏强。|何且鼠灯的光谱分布随总辐射能最的变化而变化。即使和同的总辐射能龟，鼠灯的老化也使发光光谱发生变化。这也给测量代來了随机误差。图1.毎灯光源光谱分布与AM1.5太阳光的光谱分布比较通常的太阳模拟器，根据光线方向分布的不同，还可以分为直射和散射。所谓的直射太阳模拟器,是毎灯光线不经过反射从灯直接到达被测最组件；|何散射太阳模拟器，是毎灯光线经过多次反射后到达被测磧的组件。两者有着重要的区别。因为我们无法得到完全白色的反射面，经过多次反射的光线,其中的某些波长成分被反射物体吸收的比例远远人其它的波长成分，例如短波部分，影响到太阳电池的光谱响应。另外，对j

17、:散射太阳模拟器，射入被测竜组件的光线与被测最组件表面法线间的夹角增人，被测最组件表而形态的变化将影响到组件对光线的吸收。初步的实验也表明，散射光线的增加有可能影响减少太阳电池组件曲线因子的人小。测量环境温度的影响太阳电池的I-V特性与温度相关，所以，要达到太阳电池25C测试条件的要求，就必须保证环境温度为250并且被测晟组件需耍长时间置放在恒温环境中以保证太阳电池的温度达到25生产中使用的温度测竜系统，准确度为10如果使用功率校准的方法，由此而产生的峰值功率测杲系统误差为:2X1CXO45%/C=0.9%如果使用短路电流校准方法，由此产生的短路电流测帚系统谋差为:2XTCX0.06%/C=0

18、.12%上述得到的误差，是假设测试过程中被测最组件在恒温测试室放置了足够的时间，从而被测组件的温度与恒温实验室温度相同。实际上，由j:恒温实验室本身温度的不均匀性和实际生产中太阳电池组件无法在恒温实验室内放置足够的时间，测最坏境温度所引入的测最误差要远人上述的理论计算，并且是不稳定的。这些干扰因素在许多个单次测屋过程中会显示出來，所以可以通过数据统计方法作为随机误差处理。测量系统这里所说的测最系统，不包括电子负载，测最的是所有转变为电压鼠的信号，包括组件两端的电压、组件输出电流在负载电阻上表现的电压、参考电池输出短路电流在其自身安装的精密电阻上表现的电压、还有温度传感器将温度駅转化为电压竜。测

19、最系统包括数据采集和计算机。首先，接受指令的数据采集器对信号固定频率采样并保持在锁存器中,然后比较器将锁存的信号转换为2进制的数字量并传送到存储誥中，计算机将存储器中数据按照规定的算法进行处理。测最系统的误差依赖数据采集器的位数。通常组件测届系统使用并行4通道12位分辨率数据采集器，理论上可以达到的满屋程系统误差小J-0.025%o所以测最系统误差从来都不是组件测最误差的主要來源。测帚系统应该是经过标定的，就是在标准条件下使用不同鼠值的标准电位计校准测鼠系统测最电压鼠的准确度，使得测最系统无论是在满駅程条件还是在其它最程卜，测最值与标准电位计的标定值Z间的标准偏差小给定值，并且生产商应该给使用

20、者提供这样的标定报告。组件生产商在测鼠组件的过程中仅仅通过对光源的辐照度进行标定，也就是通过获得标准组件的短路电流，就完成了对组件测鼠系统的设定。不幸的是，我们目前使用的测最系统，人多数是没有经过标定的。没有经过标定的测我系统，就需要在测最组件的过程中対组件的开路电压和短路电流都进行修正，也就是所谓的功率“校准”的方法。注意，我们使用“修正”这个名词。在后面我们会看到，这样的测最系统，会带來虚假的测量结果。测鼠系统往往使用500KHZ以上的4通道并行数据采集器，在2mS的采集时间内，可以采集4组各1000个以上的数据。这些数据在微观上存在许多的波动。厂家在软件设计上，首先对这些数据进行光辐照度

21、修正和温度修正，然后进行数据平滑处理。比较好的平滑处理方法是移动平均值法，就是取相邻儿个数据的平均值作为这些数据中位数的值，然后去除边缘的一个数据，在反方向上再增加一个数据，再计算这组新数据中位数的值，如此反复。这个方法的优点是不会造成数据失真。如果使用数据拟合的方法，则完全破坏了数据的真实性，茯至有可能得出错误的结果。实际上，国际上某些性能优异的组件测试系统，采集的有效数据人约仅仅100个，并且不对数据进行平滑处理，却保证了所采集数据的准确和有效。6电子负载图二给出了电子负载的原理图：图2：太阳电池组件测量系统的电子负载原理图其中：E1和E2是两个直流电源，并且E1的电压必须人所测量太阳电池

22、的开路电压;Rh是一个可变电阻Rp是一个精密电阻，或者被称为负载电阻当从卜向上滑动可变电阻，使得被测帚的太阳电池从反向偏置状态向正向偏置状态变化，太阳电池逐渐从短路状态向开路状态变化，从而对太阳电池的I卞特性进行扫描。图三是一个实际的电子负载电路图。如果开关SWITCH由断到通，电容C1处充电过程，太阳电池从开路向短路方向变化：如果开关SWITCH由通到断，电容C1处放电过程，太阳电池从短路向开路方向变化。从开路向短路方向变化，被测最太阳电池处倣电状态，测最的组件电压要高J：实际电压，测量的输出功率要高实际功率。从短路向开路方向变化，被测最太阳电池处J浣电状态，测最的组件电压要低J：实际电压，

23、测最的输出功率要低实际功率。这个效应在高速测最过程中，特别是使用肖特基三极管作为驱动晶体管Q，影响比较明显。电子负载的作用不是制造一个I-V特性曲线，而是将被测崑组件所固有的I-V特性曲线表现出来。电子负载的测量端使用四线制，是为了避免引入外部串联电阻。在组件两端引入串联电阻，因为组件输出电流在这个电阻上产生电压降，使得测最的组件输出电压比实际的组件输出电压低：而在负载电阻两端引入串联电阻，相当J：使负载电阻增加，使得测起的组件输出电流的值人实际组件输出电流的值。无论是在组件两端引入串联电阻，还是在负载电阻两端引入串联电阻，都改变了组件的I-V特性。增加组件两端的串联电阻，在使用功率校准”的过

24、程中，就可以増加IT特性的曲线因子：而增加负载电阻两端的串联电阻，就减少了I-V特性的曲线因子。在电子负载中，驱动晶体管Q的选择是一项关键的技术。这个晶体管的输出应该具有人电流、高速、低阻抗和有源的特性。如果在这里选用肖特基三极管，实际是将三极管作为一个无源可变电阻使用，随Z带來的问题是肖特皋三极管漏源Z间在某种条件卜表现出來的阻抗的不稳定性和阻抗对太阳电池PN结充电的影响。电子负载中的负载电阻，一般选用温度稳定性好的人功率精密线绕电阻。即使如此，这些精密电阻的累计误差也可以达到0-5%。前面的计算已经表明，这个误差是测试系统中固定误差的主要來源Z*Q为了克服电子负载自身产生的震荡，厂家往往更

25、容易在负载电阻两端引入串联电阻，使得1-特性曲线的曲线因子下降。一个讨论。从扫描IV曲线上,如果对于两个测量点f(V“和f(Vi+hIi+1)有:V：wV1+1总是有：Ii+1Wk也就是说，随着电压的増加，电流值是逐渐I、降的。然|何，我们会经常看到这样的1-曲线，其中的某一段的电流值会大于短路电流值。7测量的操作一个测最员的操作习惯，可能将组件的测屋误差单向地增加。比如，习惯将组件在恒温区内存储很短的时间，或者摆放组件的位置总是偏向一个方向等等。需要注意的一些操作习惯还包括，不经常校対太阳模拟器的辐照度，不注意测试室内温度的变化,标准组件保管不当或者不进行自校准，标准组件在太阳模拟器上摆放的

26、位置与被测吊:组件在太阳模拟器上摆放的位置不重合，或者使用与被测量组件不同尺寸的标准组件校准人阳模拟器。対某些太阳电池组件测试设备，例如具有必须使用功率“校准”的测炭系统，使用与被测最组件功率差别比较丿、的标准组件校准，或者仅仅调整某一个参数如开路电压进行修正，或者标准组件短路电流与被测量组件短路电流之间的差别比较大，都可能引入比较人的误差。&讨论我们需要对一些概念进行讨论。这些概念包括中文的名词和英文的名词。误差：与此対应的英文单词应该是error。泛泛地谈论误差，仅仅是要表示存在着过失，而不是明确过失的方式和大小。容差：在组件的参数中更多地代表测最值与额定值Z间的差别。例如额定为180W的组件