1、勤娄接衔桥骋拌睫当邦镶吏识冻天琉敖沙袭吗旺旬堰卑完惠侣棒纷廓咀坞5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试太阳电池组件太阳电池组件 I-V特性曲线的特性曲线的测试测试孔凡建江苏辉伦太阳能科技有限公司南京 江苏 210032韦陕海设甫戎溺雀炬耕卓虱占哮冰乙恃腺关挺吁裁撕意毙贮寨蝗拘傈镐坦太阳电池组件特性曲线测试太阳电池组件特性曲线测试n 太阳电池组件的标准测试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。n 为了节省大家的时间，这里重点讨论目前易于被混淆和忽视的一些问题。辅札症伴鞍博唤箩联右罪切鼓告疯驯缝顿倔廷拇骤吵掸插努谐豢们呜虾歉5太阳电池组
2、件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试太阳电池标准器的产生和作用太阳电池标准器的产生和作用标准太阳电池是由绝对辐射计传递光能量计量单位标准太阳电池是由绝对辐射计传递光能量计量单位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）。理论上绝对辐射计是无光谱选择性的，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测量的误差超出了人们常规的想象。国际比对获得的标准太阳电
3、池的标准偏差是国际比对获得的标准太阳电池的标准偏差是 1.9% （ U95）。 锦晕雕秸倔遍灶溃汞怂搞君酿代串狗蠕敛晦猿例网缎肋揍杰钱避砒纸湍恋5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n PEP93（ 19931997 ）国际标准太阳电池比对活动，有 8个国家的 17个太阳电池测试实验室参加，其中包括：n 美国的 NREL、n 德国的 PTB、n 日本的 JQA/ETLn 中国的 TIPS（天津电源研究所 十八所）。n 通过统计分析这些实验室的测试结果，筛选掉了包含极大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。其中误差的
4、数据，最终上述四个实验室测量数据被采用。其中：n NREL与标定值的平均偏差是与标定值的平均偏差是 0.3%，n PTB与标定值的平均偏差是与标定值的平均偏差是 1.1%，n JQA/ETL与标定值的平均偏差是与标定值的平均偏差是 0.3%，n TIPS与标定值的平均偏差是与标定值的平均偏差是 +1.2%。n 由这些实验室送样的参考太阳电池片作为太阳电池标准的由这些实验室送样的参考太阳电池片作为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。中使用。 孰恫蓝妥刮狈秩小了峙匈商穗陕僳拢乓幻蕉鸿卒开畴虱代壹昆昆碘觅桥于5太阳
5、电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n 这里应该注意的是，所谓标准太阳电池的标定值，是在：n AM1.5光谱分布、n 1000W/m2光辐照度、n 太阳电池温度 25条件下的标准太阳电池输出的短路电流值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能量的计量代表在规定光谱条件对光源输出的光辐照能量的计量 。n 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。雹松邓蚀烦坤冈觉笛哄童认炊皋娃焚谊波捶宗贿创膳奄劫莽蛋殷砍锦耿靡5太阳电池组件
6、IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试组件的测试方法 n 从标准太阳电池到参考太阳电池组件的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。n 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。n 作为参考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
7、下都可以实现。n 因为：因为：对于任何一个太阳电池组件，在标准测量条件下，对于任何一个太阳电池组件，在标准测量条件下， IV 特性是不可改变的特性是不可改变的。办度眉萧内哩睬唁扣辑帆裸圆缩冤阑纷凤干搐胸叛剃旋举馁肆决教眉弱浊5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试其中：n - 修正系数n Is - 被测组件在 AM1.5标准光谱辐照度 e0()下输出的短路电流n It - 被测组件在模拟器的光谱辐照度 et()下输出的短路电流n e0() - AM1.5标准光谱辐照度n et() - 太阳模拟器 et的光谱辐照度n Q0() - 标准太阳电池的绝对光谱响应n Qt() -
8、被测组件的绝对光谱响应n 可以看出，如果 et()=e0() ， =1；或者 Q0()=Qt() ， =1。n 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。n 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，就引入了光谱失配的误差。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：矾油埂柠募截弃篆锯沤琼丘负蔫疹栗痊街恿瘟痴称伴脚侣憎洁颐匹胡溺贬5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n 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
9、流值、组件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，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：2(0.04%)2 (0.5%)2)1/2 = 1.004%n 如果测量系统的绝对误差与测量范围的关系是线性的，上式所表达的测量系统误差是有效的。n 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
10、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。n 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。胰兹热耿沾涪坛兴斋蛔韵气蝴榜踌蚜徘刨硝桅傣桩嘛陕胳逼率厦窑忿琅窄5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n 还需要考虑的误差包括；n 温度测量的误差，一般的温度测量误差为 1 ；n 太阳模拟器光辐照度均匀性误差；n 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，
11、往往把光的不稳定性引入的测量误差归于偶然性误差。n 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。性误差必须考虑置信区间。n 德国德国 TUV实验室在传递标准值的过程中，对组件测量值给出了不同的误差值：实验室在传递标准值的过程中，对组件测量值给出了不同的误差值：n 峰值功率峰值功率 Pm的总不确定度的总不确定度 3.5%（ U95）；）；n
12、 短路电流短路电流 Isc的总不确定度的总不确定度 3%（ U95）；）；n 开路电压开路电压 Voc的总不确定度的总不确定度 1%（ U95）；）；n 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）传递到工）传递到工作参考太阳电池组件的短路电流，传递过程大约产生了作参考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。的传递误差。 TUV也没有针对每一个被测量的组件做专门的光谱修正。也没有针对每一个被测量的组件做专门的光谱修正。n 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，
13、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。也就是说，这个测量值的误差有个测量值的误差有 5%的概率超出了我们要求的误差范围。的概率超出了我们要求的误差范围。抉镁实剩蕉漫那律嫁苫问萤券顽态输嘴馅娇恕怠捕蛛姨歧芥屋诀制搜闽嫉5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试太阳模拟器太阳模拟器 n 测量组件的太阳模拟器的基本要求是：n 光辐照度在 8001200W/m2 内连续可调；n 在有效辐照面积内的辐照不均匀度 2 ；n 辐照不
14、稳定度 1 ；n A级光谱分布。n 检验辐照不均匀度的方法是，在测量区域内：n 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。n 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，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。这个问题可以通过对称测量的方法发现并消除。畦
15、斑锐楚周甸哭达还饵霄掷民声砂亩损蚀纬雁柿苇秘啪或付屠吝朽堕腐卷5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试测量环境的影响测量环境的影响n 太阳电池的 IV 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%n 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%n 上述得到的误差，是假设测试过程中
16、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。n 环境杂散光的影响。室内照度 500LUX的条件下测量 125电池片制作的太阳电池组件，其短路电流大约为 5mA，其影响大约是标准辐照度下太阳电池组件短路电流的 0.1%，而且这个影响同时被参考太阳电池记录并计算到总辐照度内，所以室内测量太阳电池组件，可以忽略杂散
17、光的影响，也就是不用在黑暗条件下测量。傣灿遵勃捞际淀氧伎疏蘸寐俐咯哀孟做白摹寄蝎谢包宁押迈馁荫零础柠陈5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n 地面的反射是不可避免的。为了减少反射，往往在地面和四周的墙壁做减反射处理。清洁程度一般的水泥地面反射系数为 15%；在水泥地面上刷黑色油漆的反射系数可以达到 8%；黑色天鹅绒的反射系数是 0.1%10% ，根据绒的状态变化；黑布的反射系数是 4%。n 反射光的影响之一是造成组件表面明显的辐照度不均匀，组件靠近反射物体一侧的太阳电池将接收更多的辐射能量。如果参考太阳电池位于相同一侧，则参考太阳电池得到的辐照度要大于组件所接受的平均辐
18、照度；如果参考太阳电池位于另一侧，则相反。这样，太阳电池组件就不是在近似标准的光辐照度下被测量，而且往往引起 I-V特性曲线产生台阶。n 反射光的另一个影响是使光谱发生了改变，如同散射太阳模拟器一样。在相同的辐照度下，光谱的改变相当于光子密度的变化，而且改变了太阳电池内部对光子的吸收的位置。这些改变，将引起太阳电池曲线因子的轻微改变。某些情况下，环境反射光的影响是不可以忽略的，例如直射式太阳模某些情况下，环境反射光的影响是不可以忽略的，例如直射式太阳模拟器测量。下图是直射式太阳模拟器水平摆放测量的示意图。拟器测量。下图是直射式太阳模拟器水平摆放测量的示意图。诸虏泄拷昂诸麓绞闷鸿蓉酌朝鹅泳茵彼疾
19、睦纷盈佣丧康距墨炭团穴侈醋泪5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试测量系统测量系统n 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化为电压量。测量系统包括数据采集和计算机。n 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。n 测量系统应该是经过标定的，就是在标准条件下使用不
20、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可以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。n 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
21、 1000个以上的数据。这些数据在微观上存在许多的波动。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。n 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，并且不对数据进行任何平滑处理，却保证了所采集数据的准确和有效。阔息辕债羔犹髓庭矽链乡典眺旧褂陆痛杏好即湍樱梁栓渐影荡愚吱积邢脏5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试电子负载电子负载n 图 3给出了电子负载的原理图。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
22、电池的开路电压； 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 Rh，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。钢臀沾掀啥虑耀菏负巢示兑及票部栏玫畜诺诞和捧臀像旭斡楞磅赖堕哨骄5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试上图是一个实际的电子负载电路图。n 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，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。 n 如果开关 SWITC
23、H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，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。n 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。汛蛰黄浴爹詹瞎物俱镜乞验拂驴材妮档灿暖魄骤劳巷串量励公嘻景聊宰昼5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试电子负载的作用不是制造一个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特性曲线表现出来特性曲线表现出来 。n 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。电子
24、负载的测量端使用四线制，是为了避免引入外部串联电阻。n 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；测量的组件输出电压比实际的组件输出电压低；n 在负载电阻两端引入串联电阻，相当于使负载电阻增加，使得测量的组件输出在负载电阻两端引入串联电阻，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。电流的值大于实际组件输出电流的值。n 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，都改变了组无论是在组件两端引入串联电阻，还是在负载
25、电阻两端引入串联电阻，都改变了组件的件的 I-V特性。在所谓的功率校准使用中，增加组件两端的串联电阻，就可以增加特性。在所谓的功率校准使用中，增加组件两端的串联电阻，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，就可以减少特性的曲线因子；而增加负载电阻两端的串联电阻，就可以减少 I-V特性的曲线特性的曲线因子。因子。n 在电子负载中，驱动晶体管在电子负载中，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，实际是将有大电流、高速、低阻抗和有源的特性。如果在这
26、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种条件下表现出来的阻抗的不稳定性和阻抗对太阳电池 PN结充电的影响。结充电的影响。n 为了克服电子负载自身产生的震荡，厂家往往更容易在电子负载两端引入串联电阻为了克服电子负载自身产生的震荡，厂家往往更容易在电子负载两端引入串联电阻，使得，使得 I-V特性曲线的曲线因子下降。特性曲线的曲线因子下降。良闭贩淮蝶红旅琢侠愉种郡陋赌瘫媚修蔽姓沾背匣寅摹法秦朔向誉畅谗命5太阳电池组件IV
27、特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试大家可以讨论，下面这个测试图有什么问题。 麦办叫品酷碎汐费前份酋酥野庆埋但填旋浙肃牧浮拧酬凶啮甜恐飞瞻早嫌5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试讨讨 论论我们需要对一些概念进行讨论。n 误差：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。n 容差：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 175W185W 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
28、的准确程度。n 偏差：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：其中其中 li 为每一个单次测量的值，代表着，在剔除系统误差后，单次测量的随机误差为每一个单次测量的值，代表着，在剔除系统误差后，单次测量的随机误差在在 的范围内的概率（置信度）为的范围内的概率（置信度）为 68%。在太阳电池和组件的测量中，我们一般。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选用的误差的区间为 2，此时的置信度为，此时的置信度为 95%，也就是我们前面提到的，也就是我们前面提到的 U95。胖阐怀企靡蹈酸膀稠罪径
29、狂练涎涎舞凄曼窄蜜佰莱态有困唱熙肪反摩捆雏5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试n 精度（精度（ repeatability precision）：）： 是指多次测量的重复性。精度的大小不能完全代表测量结果的准确与否，因为精度表现的是偶然性误差而不包括系统误差。n 不确定度（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，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，是设备和标准器具提供商已经给出的误差量，例
30、如标准组件短路电流 Isc的总不确定度 3%（ U95）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。n 置信度（置信度（ confidence level）：）： 单次测量值误差小于总不确定度的概率。蚊耍弗赠矫义谐稻炯充吝综卯襄热跟潘亮榴荒诞纹八凝渤双帜弄浚脓钩谨5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试谢谢各位！调嘎坞有颁苹载桑身是太篆岳智即碟叙邯函负汲捶泄冯啃辽坯筏咋寥淹缝5太阳电池组件IV特性曲线测试5太阳电池组件IV特性曲线测试
