太阳电池组I-V件测试方法

成，这就导致了非常严重的测量系统误差。所以对于测量系统的校准，不仅仅要求满量程的准确度，
还要求在不同测量值的准确度，甚至不同温度和测试频率下的准确度。
还需要考虑的误差包括；
a) 温度测量的误差，一般的温度测量误差为±1℃；
b) 太阳模拟器光辐照度均匀性误差。
c) 偶然性误差：
主要由操作人员的作业习惯决定；
0
0
0
t
t
其中：η 代表修正系数
Is 代表被测组件在 AM1.5 标准光谱辐照度 e0(λ)下输出的短路电流 It 代表被测组件在模拟器的光谱辐照度 et(λ)下输出的短路电流 e0(λ) 代表 AM1.5 标准光谱辐照度 et(λ) 代表太阳模拟器 et 的光谱辐照度 Q0(λ) 代表标准太阳电池的绝对光谱响应 Qt(λ) 代表被测组件的绝对光谱响应 根据上式可以看出，如果模拟器的光谱辐照度 et(λ)与 AM1.5 标准光谱辐照度 e0(λ)相同，修正 系数为 1；或者标准太阳电池的绝对光谱响应 Q0(λ)与被测组件的绝对光谱响应 Qt(λ)相同，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，或者被测量的组件的光谱响应
0.6-0.7
18.3±20%
0.7-0.8
14.8±20%
0.8-0.9
12.2±20%
0.9-1.1
16.1±20%
检验辐照不均匀度的方法是，在测量区域内：
± E max− E min ×100%
E max+ E min
其中 Emax 代表该区域内最大辐照度，Emin 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
大的测量误差。例如，在一个 A 级太阳模拟器下测量某个组件中，一些输出功率低的太阳电池处于比
较高的辐照度下，另一些输出功率高的太阳电池处于比较低的辐照度下，而在另一个 A 级太阳模拟器
相 对 光 谱 能 量
图 1. 氙灯光源光谱分布与 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， 是氙灯光线不经过反射从灯直接到达被测量组件；而散射太阳模拟器，是氙灯光线经过多次反射后到 达被测量的组件。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大于其它的波长成分，例如短波部分，影响到太阳电 池的光谱响应。另外，对于散射太阳模拟器，射入被测量组件的光线与被测量组件表面法线间的夹角 增大，被测量组件表面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大小。 4． 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 25℃测试条件的要求，就必须保证环 境温度为 25℃，并且被测量组件需要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 中使用的温度测量系统，准确度为±1℃。如果使用功率校准的方法，由此而产生的峰值功率测量系统 误差为：
e) 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）扫描完毕，全部数据采集完毕。此时控制器开始依照固定的规 则，将被测量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上去；
f) 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来。这个测量过程就 完成了。
I-V 特性。电子负载完成扫描组件 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；
d) 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；
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下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量标准器、测 量环境、测量设备和测量的操作过程等问题。为了方便，在下面的讨论中，凡是涉及一般测量的讨论， 被测量器件一般使用“组件”一词代表；而对于有特别指向的被测量器件，则使用专有名称，例如标 准太阳电池、参考太阳电池组件等。
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，在光能量计量的传递过程中就引入了光谱失配的误差。
这是一个复杂的误差。
同时，测量系统，在组件的测量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
η
Hale Waihona Puke Baidu
=
Ιs
=
∫
e 0
(λ)
Q t
(λ)
dλ
Ιt ∫ e (λ) Q (λ) dλ
0
0
∫ e (λ) Q (λ) dλ ∫ e (λ) Q (λ) dλ ∫ e (λ) Q (λ) dλ
t
t
=0
t
×t
0
∫ e (λ) Q (λ) dλ ∫ e (λ) Q (λ) dλ ∫ e (λ) Q (λ) dλ
t
如果测量系统的绝对误差与测量范围的关系是线性的，也就是测量系统的绝对误差与所测量值的比是
固定的，上式所表达的测量系统误差是有效的。但是，并不是所有的测量系统都可以实现线性测量误
差的要求，有些测量系统的误差绝对量是固定的。一个固定绝对误差的测量系统，如果满量程测量误
差是 0.5%，半量程的测量误差就是 1%，1/4 量程的测量误差就是 2%。而测量不可能在满量程条件下完
作为标准太阳电池组件的传递，在标准测量条件下测量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电池组件的短路电流的辐照度下 都可以实现。因为对于一个组件，在标准测量条件下，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 光谱条件的模拟器下测量组件，需要对光谱进行修正。 修正系数的公式如下：
还包括组件实际温度引入的误差；
对于闪光太阳模拟器，往往把光的不稳定性引入的测量误差归于偶然性误差；
上述的误差，实际属于两类，一类是属于系统误差或者是固定误差，另一类属于偶然性误差或者随机
误差。总的测量误差由所有误差的几何和来决定，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：
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太阳 电池输出的短路电流作为标准记录并保存。在后续的测量中，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。
峰值功率 Pm 的总不确定度≤±3.5%（U95）； 短路电流 Isc 的总不确定度≤±3%（U95）； 开路电压 Voc 的总不确定度≤±1%（U95）；
也就是说从原级标准太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，传递过程大约产生了±2.32%的传递误差。而且，峰值功率 Pm 的总不确定度应该
的短路电流值进行测量的设备，也存在着系统误差。这个误差是大家最容易理解，也是光能量传递过
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 位数据采集器的满量
程误差≤±0.04%，参考电池和被测量组件的负载电阻的误差都为±0.5%，则在满量程条件下短路电流
测量值的测量系统误差应该有： δ≤ 2×（(0.04%)2 ＋ (0.5%)2）1/2 = ±1.004%
3． 太阳模拟器
测量组件的太阳模拟器的基本要求是：
z 光辐照度在 800—1200W/m2 内连续可调；
z 在有效辐照面积内的辐照不均匀度≤±2；
z 辐照不稳定度≤±1；
z A 级光谱分布满足下表的要求：
波长间隔(μm)
相对光谱辐照度分布(%)和分布误差
0.4-0.5
18.5±20%
0.5-0.6
20.1±20%
然后光辐照度修正的方法，也就是同时采样太阳电池组件的电压、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。 在高于 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增加而增加，所以一般不 对开路电压进行修正。
太阳模拟器的光源，一般使用氙灯。在人造光源中，虽然氙灯光源光谱分布与太阳光的光谱分布 最接近，如图 1 所示，也存在着很大的差别，其中紫外和红外部分都明显偏强。而且氙灯的光谱分布 随总辐射能量的变化而变化。即使相同的总辐射能量，氙灯的老化也使发光光谱发生变化。这也给测 量代来了随机误差。
下测量恰好相反，就可能产生最大 8%的短路电流测量值的差别。当然，这个问题可以通过对称测量的
方法发现并消除。
目前，测量组件甚至太阳电池，都使用闪光模拟器，因为稳态模拟器所产生的热量对于测量的影
响几乎无法消除，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，实际测量是采用同步测量
1． 太阳电池测量标准器的产生和作用 测量太阳电池或者太阳电池组件，一般使用标准太阳电池传递测量值到标准太阳电池组件作为测 量标准器，而标准太阳电池是由绝对辐射计传递光能量计量单位的。根据光能量计量专家的介绍，通 过国际比对产生的绝对辐射计计量光能量的不确定度是±0.7%（U95）。但是，理论上绝对辐射计是无 光谱选择性的，而太阳电池是有光谱选择性的，所以不能直接将绝对辐射计的计量结果传递到太阳电 池上面来。制作标准太阳电池，需要通过一套复杂的光谱测量仪器完成这个传递。由于传递技术的复 杂性和不确定性，传递过程带来了许多误差，使得标准太阳电池对光能量的测量的误差超出了人们常 规的想象。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 1993 年开始到 1997 年结束的 PEP`93 国际标准太阳电池比对活动（PEP`93 Intercomparison of Reference Cell Calibrations），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、日本 的 JQA/ETL 和中国的 TIPS（天津电源研究所—十八所）。通过统计分析这些实验室的测试结果，筛选 掉了包含极大误差的数据，最终上述四个实验室测量数据被采用。其中，NERA 与标定值的平均偏差 是－0.3%，PTB 与标定值的平均偏差是－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+1.2%。这里，不能根据偏差的大小解释谁的数据更准确，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下来， 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、 太阳电池温度 25℃条件下，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 照度能量的计量。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，在标定的光源下测量传递值（短路电流）给被传递的工作标准太阳电池/ 组件。 2． 组件的测试方法 从标准太阳电池到标准太阳电池组件之间对光能量计量值传递的过程与我们生产过程中测量太阳 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。 首先将被测量的太阳电池或者组件与标准太阳电池一同放置在恒温 25℃的实验室内。放置的时间 一般根据被测量物品的质量，也就是预计被测量物品达到 25℃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电压或者电流的方式扫描组件的
是电流测量不确定度与电压测量不确定度的某种和。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：对于单次
测量，测量值误差小于总不确定度的概率是 95%。也就是说，这个测量值的误差有 5%的可能超出了我
们要求的误差大小。