太阳电池校准规范：光谱响应度

JJF1655—20171太阳电池校准规范:光谱响应度1范围本规范适用于单结太阳电池的绝对光谱响应度和相对光谱响应度的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:GB/T2297—1989太阳光伏能源系统术语GB/T6495.8—2002光伏器件第8部分:光伏器件光谱响应的测量GB/T6497地面用太阳电池标定的一般规定GB/T11010光谱标准太阳电池GJB/J5856—2006标准太阳电池检定规程IEC60904-3:2008光伏器件第3部分:地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐射照度数据(Photovoltaicdevices—Part3:Measurementprinciplesforterrestrialphotovoltaic(PV)solardeviceswithreferencespectralirradiancedata)IEC60904-4:2009光伏器件第4部分:太阳能参考装置建立校准溯源性的程序(Photovoltaicdevices—Part42009:Referencesolardevices—Proceduresfores-tablishingcalibrationtraceability)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位以下术语和定义适用于本规范:3.1绝对光谱响应度absolutespectralresponsivity规定的波长上,短路电流与辐射通量之比(A/W)。3.2相对光谱响应度relativespectralresponsivity以某一特定波长的光谱响应度(通常是以光谱响应度的最大值)进行归一化后的光谱响应。3.3AM1.5G条件AM1.5Gcondition标定和测试地面用(AM=1.5)太阳电池所规定的太阳辐照度和光谱分布。3.4标准测试条件standardtestingconditions(STC)用标准太阳电池测量的光源辐照度为1000W/m2,并具有AM1.5G的标准太阳光谱辐照度分布,太阳电池样品温度为25℃。4概述太阳电池是将太阳辐射能转换成电能的一种器件,主要由性能介于导体和绝缘体之JJF1655—20172间的半导体制成。图1为太阳电池光生电原理的示意图,太阳电池受到光辐射后,其吸收光能激发电子和空穴(正电荷),产生电流,称为“光伏效应”。图1典型太阳电池原理示意图太阳电池的光电响应只能在一定的光谱区内,且具有较强的光谱选择性。也就说太阳电池的光谱响应度在不同的波长是不同的。5计量特性太阳电池光谱响应度的工作波长范围:300nm~1200nm。光谱响应度范围:0.01A/W~0.6A/W。注:以上指标不是用于合格性判别,仅供参考。6校准条件6.1环境条件6.1.1温度:(23±5)℃。6.1.2湿度:≤80%RH。6.1.3电源电压:交流电源(220±10%)V。6.1.4其他条件:清洁、无腐蚀性气体;无影响仪器正常工作的电磁场、机械振动,光学暗室条件。6.2测量标准及其他设备校准用计量器具和测量标准应经计量技术机构检定合格或校准,并在有效期内。6.2.1光源:光源的波长范围覆盖太阳电池的工作波长范围(一般为300nm~1200nm),建议采用氙灯和卤素灯双光源。直流稳压或稳流电源供电,连续可调,发光光源的最大变化小于0.3%(5min内)。可采用色温3000K的卤钨灯,并监测光源的不稳定性。6.2.2单色仪:单色仪工作波长范围需覆盖太阳电池的工作波长范围(300nm~1200nm),波长最大允许偏差为±2nm。JJF1655—201736.2.3偏置光源:对太阳电池进行测量时,需要偏置光与交变的单色光相叠加照射太阳电池,可用太阳模拟器作为偏置光源。6.2.4斩波器:光束通过斩波器后变成交变的低频信号,斩波频率建议为5Hz~200Hz。6.2.5标准探测器:已知绝对光谱响应度的光电探测器或标准太阳电池,稳定性优于0.2%。6.2.6监视探测器:用于监视光源稳定性的探测器,要求其性能稳定。6.2.7锁相放大器:光谱响应测量中的关键设备,要求工作稳定、漂移优于5×10-6/℃,线性优于0.2%。7校准项目和校准方法7.1校准前检查检查被校太阳电池的光敏面和窗口状况,若存在影响校准结果准确度的裂纹、斑点、气泡和划痕等缺陷,则不予校准。开始校准前,确保被校太阳电池和校准用计量器具应在校准环境中放置以达到温度平衡,一般放置不少于12h。7.2光谱响应度校准7.2.1校准原理和校准装置示意图本规范是根据IEC60904-4所描述的差分光谱响应度(DSR,Differentialspectralresponsivity)标准方法,采用替代对比的方式对太阳电池的光谱响应度进行校准。在工作波长范围内,按一定的波长间隔先测量标准探测器信号,再在加偏置光但其他条件均相同的情况下,测量被校太阳电池信号;或者逐个波长对标准探测器和被校太阳电池进行替代对比测量。通过标准探测器量值溯源到国际单位制,如图2所示。图2溯源途径框架图校准装置示意图如图3所示。JJF1655—20174图3校准装置示意图7.2.2校准方法和步骤将被校样品置入校准装置的暗室中至少2h,以达到温度平衡。开启单色光源,并将光源稳定20min。在工作波长范围内,根据实际情况选取合适的波长间隔(如5nm、10nm或20nm为波长间隔),分别用锁相放大器同时测量无偏置辐照度Eb下的标准探测器和监视探测器的短路输出电流is(λ)和i1(λ)。开启偏置光源,偏置辐照度Eb从0逐渐增加,测量太阳电池在不同偏置辐照度Eb下的直流输出短路电流It(Eb),按照附录B记录数据。在每个偏置辐照度下,同时用锁相放大器测量偏置辐照度下被校太阳电池和监视探测器的交流输出短路电流it(λ)和i2(λ),且确认此时被校太阳电池和探测器均未饱和,按照附录B记录数据。由于标准探测器的绝对光谱响应度Rs(λ)是已知的,因此可得到不同波长λ和不同偏置辐照度Eb下的被校太阳电池的光谱响应度Rt[λ,It(Eb)]式中:It(Eb)———辐照度Eb下被测太阳电池的直流输出电流。应用IEC60904-3:2008推荐的标准太阳辐照度分布EAMn(λ),可计算出不同的偏置辐照度Eb下的被校太阳电池的积分光谱响应RAMn[It(Eb)],如式(2)所示。式中:λ1—起始波长;λ2—结束波长;AMn—大气质量,本规范选用AM1.5G。对偏置辐照度进行积分,如式(3)示。JJF1655—20175式中:It(Em)———辐照度Em下被测太阳电池的直流输出电流。其中积分的下限为0或远小于标准辐照度ESTC下测得的直流短路电流I0,当I0<10-3It(ESTC)时,其误差可以忽略不计。积分的上限It(Em)是可变上限,逐渐调整It(Em),并分别计算RSTC·EAMn,经过多次回归处理,当满足如下条件时得到最终结果RSTC,而短路输出电流ISTC如式(4)所示。若通过实际操作实现It(T)Ct)的存在难度,可在多次实验()到两者关系的基础上通过数据拟合得到ISTC,实测数据中需要包括RSTC·EAMn>It(Em)的数据。如果某些被测太阳电池的参数可以认为是线性的(线性指量与量之间按比例、成直线的关系),其绝对光谱响应度可参照式(5)进行简化计算。即根据IEC60904-4,大气质量为AM1.5G时的短路输出电流,如式(6)所示。Rt[λ,It(Eb)]即根据IEC60904-4,大气质量为AM1.5G时的短路输出电流,如式(6)所示。8校准结果表达校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及其有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校太阳电池有效的声明;p)以及未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。具体参照附录A,格式上可依据实际情况做合理改动。标准探测器和被校准太阳电池的光谱响应度数据应记入校准原始记录,按附录BJJF1655—20176的格式给出。9复校时间间隔建议复校时间间隔为1年。由于复校时间间隔的长短是由被校对象使用情况、使用者及其本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。JJF1655—20177附录A校准结果内页推荐格式证书编号×××××××—××××校准结果一、光谱响应度校准结果波长nm响应度A/W波长nm响应度A/W波长nm响应度A/W波长nm响应度A/W30053076099030553576599531054077010003155457751005320550780101032555578510153305607901020335565795102534057080010303455758051035350580810104035558581510453605908201050365595825105537060083010603756058351065380610840107038561584510753906208501080395625855108540063086010904056358651095410640870110041564587511054206508801110425655885111543066089011204356658951125440670900113044567590511354506809101140455685915114546069092011504656959251155470700930116047570593511654807109401170485715945117549072095011804957259551185500730960119050573596511955107409701200515745975116052075098011655257559851170第×页,共×页8校准结果校准不确定度的描述:注:本证书内页格式是以5nm波长间隔为例,其他波长间隔如10nm、20nm等都可参照此格式。二、AM1.5G条件下的短路电流校准结果由光谱响应度与AM1.5G标准光谱辐照度积分,计算得到AM1.5G条件下的短路电流:第×页,共×页9附录B校准原始记录内页推荐格式记录编号证书编号:第×页共×页太阳电池光谱响应度校准记录B.1基本信息客户名称器件名称型号规格出厂编号生产厂家客户地址联系方式标准器名称扩展不确定度(k=2)标准器证书号有效期至依据技术文件校准环境条件温度湿度校准员:核验员:校准日期:年月日B.2光谱响应度校准数据记录波长nm被校太阳电池标准探测器光谱响应度值ItI2It/I2IsI1Is/I1JJF1655—201710B.3短路电流计算由光谱响应度与AM1.5G标准光谱辐照度积分,计算得到AM1.5G条件下的短路JJF1655—201711附录C校准不确定度评定示例本规范是根据IEC60904-4所描述的差分光谱响应度校准方法,采用替代测量的方式对太阳电池的光谱响应度进行校准。在某一波长λ辐射光下,其光谱响应度计算公式见式(C.1)。式中:Rt[λ,It(Eb)]—被测太阳电池的光谱响应度;Rs(λ)———标准探测器的光谱响应度;it(λ)———被测太阳电池的响应值;is(λ)———标准探测器的响应值;i1(λ)———测量标准探测器时监控探测器的响应值;i2(λ)———测量太阳电池时监控探测器的响应值。对于某一波长λ的Rt各不确定度分量不相关,则其相对标准不确定度计算公式见式(C.2)。确c(+(Cuu+u+u+u+u+u+u+u(C.2)具体不确定度分量分析如下:C.1校准结果不确定度的A类评定如表C.1所示。U具体不确定度分量分析如下:C.1校准结果不确定度的A类评定如表C.1所示。表C.1校准结果重复性引入的不确定度u1波长λnm不确定度A类评定u1%波长λnm不确定度A类评定u1%波长λnm不确定度A类评定u1%3000.806000.309000.303500.806500.309500.304000.307000.3010000.304500.307500.3010500.305000.308000.3011000.305500.308500.30JJF1655—201712C.2校准结果不确定度的B类评定C.2.1所用标准探测器引入的不确定度u2300nm~400nm,u2:1.5%~1.0%,随波长变化;400nm~1100nm,u2:1.0%~0.75%,随波长变化。C.2.2太阳电池响应面均匀性不确定度u3由于太阳电池表面的不同位置响应不一致,导致测试安装过程中位置重复性引入不4太阳