太阳电池校准规范：光电性能

1太阳电池校准规范：光电性能和最大输出功率Pm。在模拟光源和自然太阳光源下，校准晶硅太阳电池、薄膜太阳电GB/T2297—1989太阳光伏能源系统术语GB/T6495.1—1996光伏器件第1部分：光伏电流-电压特性的测量GB/T11011—1989非晶硅太阳电池电性能测试的一般规定IEC60904-1:2006光伏器件第一部分：光伏电流-电压特性的测量(Photovoltaicdevices—Part1:Measurementofphotovoltaiccurrent-voltagecharacteris-IEC60904-9:2007光伏器件第九部分：太阳模拟器vices—Part9:Solarsimulatorperformancerequirements)(Photovoltaicdevices—Proceduresfortemperatureandirrad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。用于标准太阳电池测量的光源总辐照度为1000W/m²,并具有AM1.5G太阳光谱辐照分布，测试温度为(25±2)℃。太阳电池的光电性能即电流-电压(I-V)特性(如图1),主要体现在如下关键参2太阳电池是将太阳辐射能直接转换成电能的一种器件，主要由性能介于导体和绝缘体之间的半导体制成。图2所示为太阳电池光生电原理示意图。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“光伏效应”。太阳电池的光电参数是衡量其性能优劣的关键指标，目前一般采用自然太阳光或太阳模拟器对太阳电池的光电参数进行测量。太阳电池光电性能校准参数包括短路电流I.、开路电压Vo.、最大输出功率Pm、最佳工作电压Vm,最佳工作电流Im和光电转换效率η等。电池材料组成、工作条件不同，测量所得太阳电池的光电性能也不同。5.1工作范围太阳电池的短路电流I。、开路电压Vo。和最大输出功率Pm,一般工作范围如下：开路电压Vo:0.1V～5V;最大输出功率Pm:0.01W～50W。3标准测试条件(STC),即：光源总辐照度为1000W/m²,并具有AM1.5G太阳光谱辐照分布，测试温度为(25±2)℃。注：以上指标不适用于合格性判别，仅供参考。6.1.2湿度：≤80%RH。6.1.3电源电压：交流电源220(1±10%)V。6.1.4其他条件：环境清洁通风，无影响仪器正常工作的电磁场、机械振动，光学暗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室内测试光源：要求其光谱匹配度、辐照不均匀度和辐照不稳定度均需符合度相对分布的光谱失配偏差优于±25%;光源辐照不均匀度优于±2%;在测量过程中，太阳模拟器的有效光照面上的辐照度能在200W/cm²到1200W/cm²范围内调节)。6.2.2标准太阳电池：依据IEC60904-4的溯源方法，其CV值(即标定值，定义为标准测试条件下的短路电流)由标准探测器标定的太阳电池。6.2.3I-V曲线测试仪：用于采集在太阳模拟器的辐射下太阳电池所产生的信号，最大允许误差为±0.2%;电流电压测量仪表要求为6位半以上的直流数字源表。7.1.1核对检查被校准太阳电池的名称、规格型号、生产厂商、出厂编号等。7.1.2检查被校准太阳电池的光敏面和窗口状况，清洁程度，有无裂纹、斑点、气泡本规范采用比较法对太阳电池的光电性能进行校准，即在相同的条件下(光辐照、温度、安装位置等),分别测量标准太阳电池和被校准太阳电池的光电性能，用比较法7.2.2校准方法和步骤7.2.2.1将标准太阳电池放到样品架上，使其有效光敏面放在测试平面内，并保证标7.2.2.2用测温装置测量标准太阳电池的温度，并通过样品台控温，使得在测试过程4中，标准太阳电池维持在25℃±2℃。7.2.2.3测量标准太阳电池的短路电流，确定所用光源辐照度。7.2.2.4用游标卡尺测量待测太阳电池的尺寸及有效受光面积。7.2.2.5移走标准太阳电池，将被校准太阳电池放于同一位置上。7.2.2.6用测温装置测量被校准太阳电池的温度，并通过样品台控温，使得在测试过程中，被校太阳电池维持在25℃±2℃。7.2.2.7在不改变太阳模拟器设置的条件下记录被校准太阳电池的电流-电压特性。(如果被测条件不是标准测试条件，可按照标准IEC60891:2009的规定，将实测的电流-电压特性修正到标准测试条件)。7.2.2.8由测得的I-V曲线可以得到开路电压Vo,短路电流I,最大输出功率Pm,最佳工作电压Vm,最佳工作电流Im等参数。7.2.2.9短路电流密度Js、填充因子FF和光电转换效率η分别通过公式(1)、(2)和(3)进行计算：转换效率应按包括栅线面积在内的电池受光总面积来计算，S是电池面积，Pm是单位面积入射光功率(W/m²)。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：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；I)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。5具体参照附录A,格式上可依据实际情况做合理改动。被校准太阳电池的光电性能参数如短路电流、开路电压、最大功率、最佳工作电流、最佳工作电压等数据应记入校准原始记录，按附录B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6附录A校准结果内页推荐格式25℃,1000W/m²辐照度条件下，太阳电池的光电性能参数校准。电流-电压特性曲线如下图所示：光电性能参数列表如下：电流密度最大功率最佳工作电流最佳工作电压7B.1基本信息校准原始记录内页推荐格式型号规格出厂编号生产厂家计量器具证书号温度：湿度：校准员：核验员：B.2光电性能参数校准数据记录B.2.1光电性能参数校准电流密度短路电流填充因子最大功率最佳工作电流最佳工作电压88附录C校准不确定度评定示例依据本校准规范的各项计量特性及校准条件与校准项目的规定，对太阳电池进行了校准。下面针对短路电流(I₂)、开路电压(Vo)、最佳工作电流(Im)、最佳工作电压(Vm)和最大功率(Pm)关键参数测量结果的不确定度逐一进行评定分析。C.1太阳电池短路电流(Isc)校准不确定度的评定C.1.1测量模型C.1.2校准不确定度分析根据太阳电池短路电流(Is)的影响因素，其不确定度分量包括：标准太阳电池定标引入的不确定度u₁;标准太阳电池和被校准太阳电池光谱失配引入的不确定度uz;太阳模拟器辐照不稳定度引入的不确定度u₃;测量重复性引入的不确定度u₄;温度控制偏差引入的不确定度us。(注：以上不确定度分量均为相C.1.2.1标准太阳电池溯源引入的不确定度u₁利用光谱响应度类似的标准太阳电池标定太阳模拟器的光强时，通过IEC60904-4所描述的DSR方法对标准太阳电池的光谱响应度测量，计算得出STC条件下的短路电流即标定值(CV)。其不确定度由上一级的校准证书获得，为B类评定。经计量校准所给定的扩展不确定度U(CV)=0.9%(k=2),故u₁=0.45%。C.1.2.2标准太阳电池和被校准太阳电池光谱失配引入的不确定度u₂由于标定太阳模拟器辐照度的标准太阳电池和被校准太阳电池光谱响应度不完全一致，将引入不确定度。本校准规范规定所用标准太阳电池和被校准太阳电池的光谱响应度需匹配一致，故由此引起的不确定度u₂较小。通过光谱失配因子(MMF)计算，典型的失配误差约为0.05%。C.1.2.3太阳模拟器辐照不稳定度引入的不确定度u₃目前用于校准太阳电池电性能的太阳模拟器性能等级较优，在30min内，同一工作区域重复测量，校准用太阳模拟器辐照不稳定度为0.3%,为均匀分布，则由辐照度的重复性引入的不确定度C.1.2.4测量重复性引入的不确定度u140.794;140.698。计算其相对标准偏差约为0.15%,为A类评定。相对不确定度为C.1.2.5温度控制偏差引入的不确定度us温度的影响和太阳电池短路电流的温度系数相关。由于太阳电池的短路电流随温度变化较小，典型的短路电流-温度关系曲线如图C.1所示，温度系数a=0.05mA/℃,9短路电流/mA此太阳电池的短路电流为125.2mA,如温度偏差是1℃,此相对偏差为[(0.短路电流/mAC.1.2.6仪器仪表引入的不确定度u₆本校准规范要求的I-V曲线测试最大允许偏差为±0.2%。根据量值溯源证书，其对电流测量引入的不确定度为0.3%(k=2),故此分量u₆为0.15%。C.1.3不确定度合成短路电流不确定度汇总见表C.1。不确定度来源标准不确定度0.45%(B类)光谱失配0.05%(B类)辐照不稳定度0.17%(B类)0.18%(A类)温度偏差0.04%(B类)仪器仪表0.15%(B类)合成相对不确定度：um(I)=√uǐ+u²+ui+uí+相对扩展不确定度(取k=2):Um(Ix)=2ug(Iy)=2×0.54%≈C.2太阳电池开路电压(Vo。)校准不确定度的评定C.2.1测量模型开路电压/mv开路电压/mv根据太阳电池开路电压(Voc)的影响因素，其不确定度分量包括：测量重复性引入的不确定度u₇;温度控制偏差引入的不确定度ug;太阳模拟器辐照度偏差引入的不C.2.2.1测量重复性引入的不确定度u₇对被测样品太阳电池进行10次重复性测量，得出10组开路电压值(mV),分别为：642.972;642.116;643.974;642.885;643.500;643.057;643.502;644.693;644.253;643.362。计算其相对标准偏差约为0.12%,为A类评定。故相对不确定度为u₇=0.12%。C.2.2.2温度控制偏差引入的不确定度ug温度的影响和太阳电池开路电压的温度系数相关。典型的开路电压随温度变化的关系曲线如图C.2所示，温度系数β=-2.02mV/℃,此太阳电池的开路电压为594.6mV,如温度偏差是1℃,最大偏差为[(2.02×1)/594.6]×100%≈0.34%。C.2.2.3太阳模拟器辐照度偏差引入的不确定度ug引起太阳模拟器辐照度偏差的主要因素包括：太阳电池测量位置重复性，以及太阳模拟器本身的辐照不均匀性和不稳定性等。如表C.2所列，太阳电池开路电压在辐照度变化1%的情况下，由太阳模拟器辐照度偏差引入的不确定度ug=0.1%。辐照度E/(W/m²)%根据量值溯源证书，其对电压测量的不确定度为0.2%(k=2),故此分量ui₀为0.1%。C.2.3不确定度合成开路电压不确定度汇总见表C.3。不确定度来源标准不确定度0.12%(A类)温度偏差0.34%(B类)0.1%(B类)仪器仪表0.1%(B类)合成相对不确定度：相对扩展不确定度(取k=2):U(Va)=2u(V)=2×0.39%≈C.3太阳电池最佳工作电流(Im)校准不确定度的评定C.3.1测量模型y=Im(C.3)C.3.2校准不确定度分析除测量重复性引入的不确定度分量外，最佳工作电流(Im)的影响因素与短路电流(I)相同。根据10次实际重复测试数据，分别如下(mA):132.123;132.893;132.205;132.058;132.318;132.211;132.193;132.309;132.251;132.390,计算得出测量重复性引入的不确定度分量为：uu=0.17%。C.3.3不确定度合成：最佳工作电流不确定度汇总见表C.4。不确定度来源标准不确定度0.45%(B类)光谱失配0.05%(B类)辐照不稳定度0.17%(B类)0.17%(A类)温度偏差0.04%(B类)仪器仪表0.15%(B类)合成相对不确定度：ug(Im)=√uì+u²+u}+uì+u相对扩展不确定度(取k=2):Ur(Im)=2ur(Im)=2×0.54%≈C.4太阳电池最佳工作电压(Vm)校准不确定度的评定C.4.1测量模型y=VmC.4.2校准不确定度分析除测量重复性引入的不确定度分量外，太阳电池最佳工作电压(Vm)的影响因素与开路电压(Voc)相同。根据10次实际重复测试数据，分别如下(mV):518.602;515.759;519.220;5518.254,计算得出测量重复性引入的不确定度分量为：uiz=0.23%。C.4.3不确定度合成最佳工作电压不确定度汇总见表C.