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。 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
2、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 P
3、EP93 国际参考太阳电池比对。从 1993年开始到 1997 年结束的 PEP93 国际标准太阳电池比对活动（ PEP93 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
4、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）
5、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
6、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； 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
7、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。 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
8、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，在标准测量条件下测量短路电流之后就已经完成了。获得 IV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，IV 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： 0t t00t tt00 t0 00 tte() Q () e() Q () e() Q () e() Q () se() Q () e() Q () te) Q () e() Q () dddd=
9、 = =其中： 代表修正系数 Is 代表被测组件在 AM1.5 标准光谱辐照度 e 0()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 e t()下输出的短路电流 e0() 代表AM1.5 标准光谱辐照度 et() 代表太阳模拟器 e t的光谱辐照度 Q0() 代表标准太阳电池的绝对光谱响应 Qt() 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 e t()与AM1.5 标准光谱辐照度 e 0()相同，修正系数为 1；或者标准太阳电池的绝对光谱响应 Q 0()与被测组件的绝对光谱响应 Q t()相同，修正系数为 1。也就是说，如果我们可以获得满足 AM1.5
10、 光谱的太阳模拟器，或者被测量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
11、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： 2（(0.04%)2 (0.5%)2）1/2= 1.004% 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成，这就导致了非常严重的测量系统误差。所以对于测
12、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； 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
13、误差值： 峰值功率 Pm的总不确定度3.5%（U 95） ； 短路电流 Isc 的总不确定度3%（U 95） ； 开路电压 Voc 的总不确定度1%（U 95） ； 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%（U 95）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
14、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。 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 8001200W/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(m) 相对光谱辐照度分布(%)和分布误差 0.4-0.5 18.520% 0.5-0.6 20.120% 0.6-0.7 18.320% 0.7-0.8 14.820% 0.8-0.9 12.220% 0.9-1.1 16.120% 检验辐照不均匀度的方法是，在测量区域内： max minmax min100%
15、EEEE+ 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
16、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
17、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。 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
18、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： 210.45%/ = 0.9% 如果使用短路电流校准方法，由此产生的短路电流测量系统误差为： 210.06%/ = 0.12%
19、上述得到的误差，是假设测试过程中被测量组件在恒温测试室放置了足够的时间，从而被测组件的温相对光谱能量 度与恒温实验室温度相同。实际上，由于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，测量环境温度所引入的测量误差要远大于上述的理论计算，并且是不稳定的。这些干扰因素在许多个单次测量过程中会显示出来，所以可以通过数据统计方法作为随机误差处理。 5 测量系统 这里所说的测量系统，不包括电子负载，测量的是所有转变为电压量的信号，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量转
20、化为电压量。测量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器中，计算机将存储器中数据按照规定的算法进行处理。 测量系统的误差依赖于数据采集器的位数。通常组件测量系统使用并行 4 通道 12 位分辨率数据采集器，理论上可以达到的满量程系统误差小于 0.025%。所以测量系统误差从来都不是组件测量误差的主要来源。 测量系统应该是经过标定的，就是在标准条件下使用不同量值的标准电位计校准测量系统测量电压量的准确度，使得测量系统无论是在满量程条件还是在其它量程下，测量值与标准电位计的标定值之间的标准偏
21、差小于给定值，并且生产商应该给使用者提供这样的标定报告。组件生产商在测量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，就完成了对组件测量系统的设定。不幸的是，我们目前使用的测量系统，大多数是没有经过标定的。没有经过标定的测量系统，就需要在测量组件的过程中对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，这样的测量系统，会带来虚假的测量结果。 测量系统往往使用 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
22、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，就是取相邻几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，甚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，采集的有效数据大约仅仅 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
23、理图 其中： E1 和 E2 是两个直流电源，并且 E1 的电压必须大于所测量太阳电池的开路电压； Vr = I Rp V Simulator 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 当从下向上滑动可变电阻，使得被测量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-V 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 处于充电过程，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 处于放电过程，太阳电池从短路向开路方向变化。从开路向短路方向变化，
24、被测量太阳电池处于放电状态，测量的组件电压要高于实际电压，测量的输出功率要高于实际功率。从短路向开路方向变化，被测量太阳电池处于充电状态，测量的组件电压要低于实际电压，测量的输出功率要低于实际功率。这个效应在高速测量过程中，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。 图 3. 电子负载的实际电路图 电子负载的作用不是制造一个 I-V 特性曲线， 而是将被测量组件所固有的 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，使得测量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
25、串联电阻，相当于使负载电阻增加，使得测量的组件输出电流的值大于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”的过程中，就可以增加 I-V 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大电流、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，随之带来的问题是肖特基三极管漏源之间在某种条件下表现出来的阻抗的不稳定性和阻抗对太阳电池
26、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大功率精密线绕电阻。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来源之一。 为了克服电子负载自身产生的震荡，厂家往往更容易在负载电阻两端引入串联电阻，使得 I-V 特性曲线的曲线因子下降。 一个讨论。从扫描 I-V 曲线上，如果对于两个测量点 f(V i, Ii)和f(Vi+1, Ii+1)有： Vi Vi+1总是有： Ii+1 Ii也就是说，随着电压的增加，电流值是逐渐下降的。然而，我们会经常看到这样的 I-V 曲线，其中的某一段的电流值会大于短路电流值。 7 测
27、量的操作 一个测量员的操作习惯，可能将组件的测量误差单向地增加。比如，习惯于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，不经常校对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位置与被测量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太阳模拟器。 对于某些太阳电池组件测试设备，例如具有必须使用功率“校准”的测量系统，使用与被测量组件功率差别比较大的标准组件校准，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
28、之间的差别比较大，都可能引入比较大的误差。 8 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：与此对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量值与额定值之间的差别。例如额定为 180W 的组件，可能包括测量值为 175W 185W 的组件功率范围。与此对应的英文单词应该是 Tolerance。容差的大小，并不代表测量值的准确程度。而且，对于组件的串联组合，真正有意义的是额定工作电流的一致性。 精度（repeatability precision） ：是指多次测量的重复性
29、。精度的大小不能完全代表测量结果的准确与否。 偏差：更准确地是“标准偏差” ，英文表述为“ standard deviation”。 n 次测量的标准偏差的数学表达式如下： ( )nn221-n2221+=KLlii= =niinlL1其中il 为每一个单次测量的值。这个值代表着，在剔除系统误差后，单次测量的随机误差在的范围内的概率（置信度）为 68%。在太阳电池和组件的测量中，我们一般选用的误差的区间为 2，此时的置信度为 95%，也就是我们前面提到的 U 95。 不确定度 （ total measuring uncertainty） ： 也就是我们通常所说的准确度。 这个概念包含了两个含义
30、，一个是测量结果的估计值，一个是测量结果的分布状态。它有两部分组成，系统误差和随机误差，是两者的几何和。系统误差是测试系统固有的误差，是不随测试环境和操作方法变化的误差量，是设备和标准器具提供商已经给出的误差量，例如标准组件短路电流 Isc 的总不确定度3%（U 95）就是Fraunhofer 实验室给出的标准组件的固定误差。而随机误差是测试人员在测试过程中因为测量的方法和环境因素等引入的误差。对于随机误差，我们必须根据标准偏差的定义进行计算分析。然后，将所有的误差分量，按照统一的置信区间，例如 2，计算几何和，得到的就是我们单次测量在规定置信区间的总不确定度。 置信度（confiden ce level） ：单次测量值误差小于总不确定度的概率。 Fraunhofer 实验室在使用总不确定度为 1.9%（U 95）的标准太阳电池传递光辐照度值时，也只能给出峰值功率 Pm 的总不确定度3.5%（U 95）和短路电流 Isc的总不确定度3%（U 95） 。那么，你的工厂测量组件的准确度是多少呢？每一个工厂都应该使用统计的方法，对自己的测量系统的误差进行分析，以保证所给出的测量值的准确。
