太阳模拟器光谱匹配度对光伏器件 关键电参数测量的影响研究

黎健生 杨爱军

摘要：近年来，得益于光伏技术的发展，光伏器件的光谱响应范围从原来的（400～1100）nm扩展到（300～1200）nm，用于评估太阳模拟器性能的标准IEC 60904也在2020年末推出了第三版，对光谱分布范围和光谱匹配度均提出了更高要求，这对现有的太阳模拟器的性能形成了更高的挑战。我国作为光伏产品研发制造大国，各生产研发部门、科研机构和高校用于光伏器件关键电参数测量的氙灯太阳模拟器保有量可观，且基本使用稳态氙灯光源，但当中不少设备已使用多年，因为种种原因光谱匹配度性能衰减明显。文中研究稳态氙灯模拟器的性能和结构特点，提出了基于调节氙灯滤光片透光特性的太阳模拟器光谱匹配度改善方法，一方面可拓宽太阳模拟器的光谱分布范围，另一方面对拓宽后的光谱辐射的光谱匹配度有明显改善，避免了该类设备过早退役，对光伏行业的降本增效具有重要意义。

关键词：太阳模拟器;光谱匹配度;关键电参数

Study on the Influence of Spectral Match of Solar Simulators on the Measurement of Electrical Parameters of Photovoltaic Devices

LI Jian-Sheng1，2，3， YANG Ai-Jun 1

（1 Fujian Metrology Institute ， Fuzhou 350003， Fujian， China）

（2 National PV Industry Measurements and Testing Center， Fuzhou 350003， Fujian， China）

（3 Fujian Key Laboratory of Energy Measurement， Fuzhou 350003， Fujian， China）

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Abstract： In recent years， thanks to the development of photovoltaic technology， the spectral response range of photovoltaic devices has been expanded from the original （400 ～ 1100） nm to （300 ～ 1200） nm. The Standard IEC 60904 for evaluating the performance of solar simulators has also launched the third edition at the end of 2020， which puts forward higher requirements for spectral distribution range and spectral matching， which poses a higher challenge to the performance of existing solar simulators. As a large country in photovoltaic product R & D and manufacturing， China has a considerable number of xenon lamp solar simulators used by various production and R & D departments， scientific research institutions and universities for the measurement of key electrical parameters of photovoltaic devices， and basically use steady-state xenon lamp light sources. However， many of these devices have been used for many years， and the performance of spectral matching has been significantly degraded for various reasons. This paper studies the performance and structural characteristics of the steady-state xenon lamp simulator， and puts forward a method to improve the spectral matching degree of the solar simulator based on adjusting the light transmission characteristics of the xenon lamp filter. On the one hand， it can broaden the spectral distribution range of the solar simulator， on the other hand， it can significantly improve the spectral matching degree of the broadened spectral radiation， avoid the premature retirement of this kind of equipment， and is of great significance to the cost reduction and efficiency increase of the photovoltaic industry.

Key Words： Solar simulator; Spectral match; Key electrical parameters

1概述

随着光伏行业对光伏器件的最大发电功率测量要求的不断提高，在包括太阳电池或光伏组件的光伏器件关键电性能参数测量中，太阳模拟器光源的光谱匹配度越来越成为一个不容忽视的因素。一方面在设备采购选型中，用户必然重点考核太阳模拟器光源的光谱匹配度是否能达到IEC60904-9 Ed 3.0[1]中的A级甚至A+级。相比起光源的其他两个考核指标：辐照度均匀性和辐照度稳定性，光谱匹配度的提升对测量的影响相对更大，特别针对光伏组件的测量尤为如此。另一方面，光伏器件的电性能参数测量一般要求具备与被测物光谱响应特性基本一致的标准电池，而光谱匹配度的提升将显著降低对这方面的依赖程度，对各种新型太阳电池和光伏组件的测量具有重要意义。文中通过针对太阳模拟器氙灯光源的光谱分布特性设计定制高光谱匹配度AM1.5G滤镜以改善各种太阳模拟器光谱匹配度，之后利用不同类型WPVS标准太阳电池在不同光谱匹配度的太阳模拟器下进行太阳电池和光伏组件测量，研究分析了太阳模拟器光谱匹配度对关键电参数测量的影响。研究结果表明，对太阳模拟器光谱匹配度的改善显著降低了光谱失配因子[2]（Mismatch Factor， MMF），对提高测量准确度、降低测量操作和数据处理的复杂度，以及降低对标准电池类型的依赖程度都是有利的。

2 实验方案

本次实验方案采用了国家光伏产业计量测试中心的组件模拟器（型号Highlight 3 LMT，下文简称“组件模拟器”）和太阳电池模拟器（型号YSS-180S，下文简称“电池模拟器”），配合不同设计的AM1.5G滤光片分别形成A级和A+级的光谱匹配度，按照IEC60904-1[3]分别对若干种型号的光伏组件和太阳电池进行关键电性能测量，以考核分析不同光谱匹配度对测量结果的影响。

两台模拟器均在2015年装机使用至今，其中组件模拟器指标一直保持为A+级，稳定性良好;电池模拟器在常年稳态氙灯的高温作用下光谱匹配度在（300～470）nm和（657～772）nm为A级，其余波段为A+级。为了考核光谱匹配度对光伏器件关键电参数测量的影响，根据电池模拟器氙灯光源的裸灯光谱特性定制了A+级AM1.5G滤镜。为了在有限代价实现将组件模拟器光谱匹配度降为A级的效果，在市面上采购了与组件模拟器国产氙灯匹配的AM1.5G滤镜，配合原厂进口氙灯使用后将光谱匹配度降低为A级。由此，获得了两套太阳模拟器两种不同光谱匹配度等级的滤镜，见图1和图2。

由图1可知，组件模拟器的光谱匹配度为A+级，能到达较好光谱匹配度的原因是氙灯与AM1.5G滤光片的匹配度较好，而且由于瞬态模拟器对滤光片的长期热效应较小，滤光片的性能衰减较慢。太阳电池稳态太阳模拟器中的AM1.5G滤光片则存在缓慢热衰减的问题。本次试验使用的YSS-180S经过近6年的使用，光谱匹配度从原来的A+级别衰减到A级，主要表现在（300～470）nm波段的透过率变弱，而近年来太阳电池性能提升的一个方面恰是紫外和红外两端波段的量子效率提升。

试验中使用到的WPVS标准电池均为Fraunhofer ISE生产，类型为普通单晶和普通多晶。

对光伏组件测量试验，选用了一片72片规格普通单晶和一片60片规格普通多晶光伏组件作为试验样品。两片组件均附有中国计量科学研究院的校准值，以此为实验的参考值。通过考察组件模拟器使用光谱匹配度等级分别为A和A+级别的滤光片以及采用不同类型WPVS标准电池情况下光伏组件测量结果与标准值的偏差，分析太阳模拟器光谱匹配度改善后光伏组件关键电参数测量的改善程度以及对WPVS标准电池的依赖程度。太阳电池测量实验的思路与光伏组件测量试验一致，使用了两片带有Fraunhofer ISE测量值的太阳电池片为实验样品。

3实验部分

3.1 光伏组件测量实验

组件模拟器所在的实验室具备恒温恒湿环境，两片光伏组件在测量前均预先在（25±1）℃、（56±10）%RH环境下恒温4小时后进行测量。测量时均采用红外测温仪测量光伏组件背板温度，保证不同光谱匹配度条件下组件温度基本一致。在A+级和A级光谱模拟器照射下，分别使用单晶和多晶WPVS标准电池作为标准器测量的光伏组件的测量结果如表1～表4所示。由于光源光谱分布和参考电池测量基本不影响开路电压Voc的测量，因此不单独为Voc列出测量偏差。

虽然未能测量光伏组件的光谱响应度因而未能进行光谱失配修正，但从表2数据可以看出，采用光谱匹配度为A+级别的太阳模拟器和同类型WPVS标准电池测得的结果与参考值的偏差低于0.3%。保持模拟器A+级别光谱不变情况下，即便采用不同类型的WPVS标准电池测量光伏组件，测量偏差仍低于0.4%。使用A级模拟器和相同类型WPVS标准电池进行测量的偏差则为-0.78%～-0.51%，显示出太阳模拟器光谱匹配度的改善对测量的明显正面影响。

针对采用如HIT和TOPCon技术的高效组件，同样是A+级别的匹配度采用不同类型的WPVS标准电池对功率测量的影响比A级匹配度相对应的情况要小得多，更能显示出光谱匹配度改善带来的优势。考虑到目前市面上未有使用HIT技术或TOPCon技术制备的标准电池，此试验结果对提供光伏组件标定服务的实验室有一定的参考意义，即通过改善模拟器光谱匹配度来弥补标准电池类型缺失带来的负面影响，以符合光伏行业不断推出的新型组件测量需求，相应的经济成本和标准器管理成本也更低。

3.2 太阳电池测量试验

电池测量方面，由于具备大功率温控平台，样品不需要进行长时间恒温，但温控平台作用到样品以产生长时间维持在（25±0.5）℃的效果需要一定时间，所以仍需要注意试验环境对样品的影响以及把握样品放置在温控平台后静置的时间。与光伏组件试验一样，使用两种光源和标准电池的测量结果如表3与表4所示。有别于光伏组件测量，绝大部分太阳电池测量实验室具备太阳电池光谱响应度测量能力，可以计算出每次测量的MMF，因此MMF也可以作为评判模拟器光谱匹配度提升后对测量结果的影响程度。

表3和表4里的功率和电流测量数据未进行MMF修正，以便更直观显示光谱匹配度对测量结果的影响。从上述数据可知，由于模拟器换装性能更优的滤镜后，光谱匹配度改善明显，各个波段的光谱失配程度不超过5%，因此MMF较低，在0.1%左右，相对A级光谱的情况则在0.7%～0.9%不等。从图4可以看出，在A+级光谱分布情况下，（300-400）nm波段以及（780-820）nm波段的光谱辐射照度更高，这对太阳电池的输出提升是有帮助的，也是此情况下Isc和Pmax测量值更高的主要原因。对于太阳电池研发和生产机构最关心的转换效率，A+级别光谱下的测量数据不超过1个档位（0.1%），而A级光谱下测得数据则偏低2档左右，负偏离明显。

按照IEC 60904-7[6]，MMF的计算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：Eref：AM1.5G参考光谱分布;

Emeas：太阳模拟器的光谱分布;

Ssample：待测样品的光谱响应;

Sref：WPVS标准电池的光谱响应。

4 实验结果和讨论

实验结果表明，模拟器光谱改善对新型太阳电池或光伏组件的测量可产生正面的影响。A+级别光谱匹配度的模拟器下的测量偏差相对A级光谱匹配度情况下明显更小。由于绝大部分测量机构不具备测量光伏组件光谱响应度的能力，因而不能计算光谱失配修正因子对测量结果进行修正，因此模拟器A+光谱带来的第二个好处是可采用常规的单晶或多晶WPVS作为标准电池即可，降低了定制标准太阳电池的难度、测量程序的复杂程度以及后续标准器管理成本。当然，对稳态模拟器而言，建议有条件的用户定期测量设备的光谱匹配度，以便判断光谱变化情况以及更新计算MMF所使用的相应数据，才能最大程度上保证更好的光谱匹配度带来更可靠的测量结果。

需要注意的是，如果太阳模拟器灯管在（300～400）nm波段并未有对应波长的光透过，则此方法的提升效果有限。虽然可以利用光谱匹配度评级采用较宽波段范围的特点，通过为滤镜镀增透膜强行提升（400～470）nm波段的光谱辐射照度，使太阳模拟器以达到A+级别的光谱匹配度，但由于新型光伏产品在（250～400）nm有较高的光谱响应度，此举不能更客观地反映出新型光伏器件的实际性能提升，因此改善的实际意义有限。

5 结论

大部分氙灯光源和金属卤素灯光源均可通过测量其未滤光的光谱分布后订制透过率高度匹配的滤光片，以达到较好的光谱匹配度，有利于光伏器件的关键电参数测量。相比起使用TOPCon或HIT技术的光伏产品，目前国内常规组件和电池产线仍占有较高比例，使用的太阳模拟器一般超过5年，设备生产时仍未采用IEC 60904-9：2020进行评估，光谱匹配度一般只有A级。随着光伏技术的快速发展，新型光伏器件性能提升使得设备用户对太阳模拟器的要求也越来越高，以发挥新型光伏器件的发电优势，而文中的方法能用较低成本改善太阳模拟器光谱匹配度性能，且已经在数家主流光伏组件生产商处得到成功应用，具有较好的实用性，对光伏企业的降本增效有显著帮助。

参考文献

[1]IEC 60904-9：Ed.3 Photovoltaic devices–Part 9： Solar simulator performance requirements [S].

[2]IEC 60904-7：2008 Photovoltaic devices–Part 7： Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices [S].

[3]IEC 60904-1：2020 Photovoltaic devices–Part 1： Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics [S].