太阳电池在不同光谱分布太阳模拟器下的性能差异分析

太阳电池在不同光谱分布太阳模拟器下的性能差异分析

作者：张万辉 林荣超 曾飞

来源：《电子技术与软件工程》2015年第15期

摘 要

测试了单晶和多晶硅太阳电池的光谱响应曲线，将单晶硅光谱响应作为标准电池的光谱响应，利用BBA太阳模拟器和AAA太阳模拟器的光谱计算了多晶硅太阳电池在两种模拟器下的光谱失配因子，对在两种模拟器下测试结果的可靠性进行了分析。 【关键词】太阳电池 光谱失配 太阳模拟器

太阳电池可以利用太阳直射法，稳态模拟器法，瞬态太阳模拟器法等方法来进行测试，由于太阳直射法条件难以控制，因此实验室多采用模拟器方法进行太阳电池的测试，但是由于太阳模拟器存在差异，如均匀性、光谱分布、稳定性方面存在差别，导致不同模拟器下的测试结果存在差别。事实上，由于太阳模拟器光谱不同于标准光谱，需要采用与被测样品光谱响应基本相同的标准电池测试入射光的辐照度，再将测定的电流和电压数据修正到标准测试条件。但是由于材质和制作工艺的不同，太阳电池之间往往差异较大，如果需要精确测定，原则上需要准备多种类型的标准电池进行辐照度测定，这往往难以实现。

由于多晶硅表面的不均匀性，因此标准电池多采用单晶硅太阳电池。而光伏组件中多采用多晶硅太阳电池，与监测光强用的标准电池的光谱响应存在一定差异，故直接测试存在一定误差，需要进行光谱修正。

本文利用单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池的典型光谱响应曲线，以及AAA太阳模拟器和BBA太阳模拟器的光谱分布，将单晶硅太阳电池光谱响应作为标准电池响应，计算了多晶硅在两种太阳模拟器下的光谱失配因子，以期对多晶硅太阳电池的测试结果分析提供参考。 1 不同太阳模拟器下的光谱失配分析

目前测量太阳电池的电性能通用的方法是将太阳电池放置在自然光或者太阳模拟器下，保持一定的温度，测试其电流—电压曲线，由于太阳模拟器的光谱与标准光谱存在差异，需对测试结果进行修正。为了评价太阳模拟器的光谱辐照度分布和标准光谱的一致性，国际电工委员会（IEC）制定了IEC60904-9标准对太阳模拟器的性能要求进行了规定。将模拟器光谱分布与标准光谱分布（如图1所示）的差异程度作为性能评价的重要依据。其中将太阳模拟器光谱匹配度分为3个等级，是指在六个光谱范围内的强度需符合一定比例，当失配程度在0.75～1.25时属于A级。

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图1：AM1.5G标准光谱分布

由于太阳模拟器与标准光谱存在差异，因此需利用IEC60904-7计算光谱失配因子对测试结果进行修正。由IEC60904-7标准，光谱失配因子的定义如式（1）所示 （1）

Eref（λ）为标准光谱分布。 Sref（λ）为标准电池的光谱响应。

Emeans（λ）为实测光源（自然光或太阳模拟器）的光谱分布。 Ssample（λ）为样品电池的光谱响应。

由式（1）可以看出，当太阳模拟器和标准光谱一致或标准电池和待测样品的光谱响应一致时，不存在光谱失配误差。但这是理想情况，实际上模拟器关光谱和标准光谱之间以及标准电池和待测样品之间存在差异，而光谱修正因子的大小可作为不同太阳模拟器测试结果准确性的指标。为获得光谱失配因子，需要测定模拟器光谱分布以及标准电池和待测样品的光谱响应。

本文选择A级和B级两种太阳模拟器进行模拟器光谱分布的测试，二者的光谱分布与AM1.5光谱的比较分别如图2和图3所示。如图2所示，A级模拟器在400-1100nm范围内与AM1.5光谱基本一致，但在800nm附近存在较为明显的差异。与A级太阳模拟器比较，B级模拟器在400-1100nm范围差异较为明显，如图3所示。 图2：AAA太阳模拟器光谱分布与 AM1.5光谱间的比较

图3：BBA太阳模拟器光谱分布与 AM1.5光谱间的比较

由式（1），为得到光谱失配因子，还需测定标准电池和待测电池的光谱响应。光谱响应是指在各个波长上的单位辐照度所产生的电流和波长的关系曲线，该特性曲线与电池自身的工艺、材料特性密切相关。对每种类型的太阳电池，必须采用与其光谱响应完全一致的标准电池来标定辐照度，但是实际测量过程中，选择的标准电池的工艺材料与被测样品只能大致相同。由于标准电池中多采用单晶硅太阳电池，而目前光伏组件中多采用多晶硅太阳电池，因此本文选取了多晶硅和单晶硅太阳电池进行了光谱响应的测试，所测的光谱响应曲线如图4所示。

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图4：单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池 光谱响应曲线

由图4可以看出，单晶硅太阳电池在短波和长波范围具有比多晶硅太阳电池更佳的光谱响应，而由于太阳模拟器与标准太阳光谱分布曲线存在差异，因此二者的测试结果必然存在一定的差异，一般用光谱失配因子对测试结果进行修正。

利用两种太阳模拟器的光谱分布和单晶硅、多晶硅的光谱响应曲线，我们根据式（1）计算了多晶硅太阳电池在AAA太阳模拟器和BBA太阳模拟器下的光谱失配因子，结果如表1所示。

表1：多晶硅太阳电池在不同太阳模拟器下的光谱失配 太阳模拟器 AAA BBA 光谱失配因子 1.0071 0.9925

表1结果表明，多晶硅太阳电池在AAA级太阳模拟器和BBA级太阳模拟器下进行测试，测试结果存在一定差异，但是与标准光谱下的差异并不明显（ 2 分析与讨论

由表1的结果可以看出，从光谱失配角度而言，利用单晶硅标准电池进行辐照度标定来进行多晶硅太阳电池测试，虽然AAA级太阳模拟器与BBA级太阳模拟器下的测试结果相差约为1.5%，但与标准光谱下的差异并不明显。由图4可以看出，这是由于单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池间的光谱响应并不显著导致。实际上，对于其它类型的太阳电池，如非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒太阳电池等，它们与单晶硅光谱响应之间存在非常大的差异[4]，在不同光谱下的测试结果的差异将非常显著。此外，由于太阳模拟器的均匀性和稳定性都将导致测试结果出现一定的误差，在太阳电池测试时需对各种因素综合分析才能得出更为准确的测试结果。 参考文献

[1]IEC 60904-3 Photovoltaic devices - Part 3： Measurement principles for terrestrial photovoltaic （PV） solar devices with reference spectral irradiance data Edition 2.0 2008-04 [2]IEC 60904-7 Photovoltaic devices - Part 7： Computation of the spectral mismatch correction for measurements of Photovoltaic devices Edition 3.0 2008-11

[3]IEC 60904-9 Photovoltaic devices - Part 9： Solar simulator performance requirements Edition 2.0 2007-10

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[4]实用光伏手册：原理与应用，AugustinMc Evoy[M].北京：科学出版社，2013. 作者单位

1.广东产品质量监督检验研究院 广东省佛山市 528300 2.中山大学太阳能系统研究所 广东省广州市 510275