太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范：光電性能

1太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范：光電性能和最大輸出功率Pm。在模擬光源和自然太陽光源下，校準(zhǔn)晶硅太陽電池、薄膜太陽電GB/T2297—1989太陽光伏能源系統(tǒng)術(shù)語GB/T6495.1—1996光伏器件第1部分：光伏電流-電壓特性的測量GB/T11011—1989非晶硅太陽電池電性能測試的一般規(guī)定IEC60904-1:2006光伏器件第一部分：光伏電流-電壓特性的測量(Photovoltaicdevices—Part1:Measurementofphotovoltaiccurrent-voltagecharacteris-IEC60904-9:2007光伏器件第九部分：太陽模擬器vices—Part9:Solarsimulatorperformancerequirements)(Photovoltaicdevices—Proceduresfortemperatureandirrad凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。用于標(biāo)準(zhǔn)太陽電池測量的光源總輻照度為1000W/m2,并具有AM1.5G太陽光譜輻照分布，測試溫度為(25±2)℃。太陽電池的光電性能即電流-電壓(I-V)特性(如圖1),主要體現(xiàn)在如下關(guān)鍵參2太陽電池是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件，主要由性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體制成。圖2所示為太陽電池光生電原理示意圖。太陽電池受到光輻射后，其吸收光能激發(fā)電子和空穴(正電荷),產(chǎn)生電流，稱“光伏效應(yīng)”。太陽電池的光電參數(shù)是衡量其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，目前一般采用自然太陽光或太陽模擬器對太陽電池的光電參數(shù)進(jìn)行測量。太陽電池光電性能校準(zhǔn)參數(shù)包括短路電流I.、開路電壓Vo.、最大輸出功率Pm、最佳工作電壓Vm,最佳工作電流Im和光電轉(zhuǎn)換效率η等。電池材料組成、工作條件不同，測量所得太陽電池的光電性能也不同。5.1工作范圍太陽電池的短路電流I。、開路電壓Vo。和最大輸出功率Pm,一般工作范圍如下：開路電壓Vo:0.1V～5V;最大輸出功率Pm:0.01W～50W。3標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC),即：光源總輻照度為1000W/m2,并具有AM1.5G太陽光譜輻照分布，測試溫度為(25±2)℃。注：以上指標(biāo)不適用于合格性判別，僅供參考。6.1.2濕度：≤80%RH。6.1.3電源電壓：交流電源220(1±10%)V。6.1.4其他條件：環(huán)境清潔通風(fēng)，無影響儀器正常工作的電磁場、機(jī)械振動，光學(xué)暗校準(zhǔn)用計量器具和測量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)經(jīng)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格或校準(zhǔn)，并在有效期內(nèi)6.2.1室內(nèi)測試光源：要求其光譜匹配度、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度均需符合度相對分布的光譜失配偏差優(yōu)于±25%;光源輻照不均勻度優(yōu)于±2%;在測量過程中，太陽模擬器的有效光照面上的輻照度能在200W/cm2到1200W/cm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié))。6.2.2標(biāo)準(zhǔn)太陽電池：依據(jù)IEC60904-4的溯源方法，其CV值(即標(biāo)定值，定義為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的短路電流)由標(biāo)準(zhǔn)探測器標(biāo)定的太陽電池。6.2.3I-V曲線測試儀：用于采集在太陽模擬器的輻射下太陽電池所產(chǎn)生的信號，最大允許誤差為±0.2%;電流電壓測量儀表要求為6位半以上的直流數(shù)字源表。7.1.1核對檢查被校準(zhǔn)太陽電池的名稱、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠商、出廠編號等。7.1.2檢查被校準(zhǔn)太陽電池的光敏面和窗口狀況，清潔程度，有無裂紋、斑點、氣泡本規(guī)范采用比較法對太陽電池的光電性能進(jìn)行校準(zhǔn)，即在相同的條件下(光輻照、溫度、安裝位置等),分別測量標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池的光電性能，用比較法7.2.2校準(zhǔn)方法和步驟7.2.2.1將標(biāo)準(zhǔn)太陽電池放到樣品架上，使其有效光敏面放在測試平面內(nèi)，并保證標(biāo)7.2.2.2用測溫裝置測量標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的溫度，并通過樣品臺控溫，使得在測試過程4中，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池維持在25℃±2℃。7.2.2.3測量標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流，確定所用光源輻照度。7.2.2.4用游標(biāo)卡尺測量待測太陽電池的尺寸及有效受光面積。7.2.2.5移走標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，將被校準(zhǔn)太陽電池放于同一位置上。7.2.2.6用測溫裝置測量被校準(zhǔn)太陽電池的溫度，并通過樣品臺控溫，使得在測試過程中，被校太陽電池維持在25℃±2℃。7.2.2.7在不改變太陽模擬器設(shè)置的條件下記錄被校準(zhǔn)太陽電池的電流-電壓特性。(如果被測條件不是標(biāo)準(zhǔn)測試條件，可按照標(biāo)準(zhǔn)IEC60891:2009的規(guī)定，將實測的電流-電壓特性修正到標(biāo)準(zhǔn)測試條件)。7.2.2.8由測得的I-V曲線可以得到開路電壓Vo,短路電流I,最大輸出功率Pm,最佳工作電壓Vm,最佳工作電流Im等參數(shù)。7.2.2.9短路電流密度Js、填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η分別通過公式(1)、(2)和(3)進(jìn)行計算：轉(zhuǎn)換效率應(yīng)按包括柵線面積在內(nèi)的電池受光總面積來計算，S是電池面積，Pm是單位面積入射光功率(W/m2)。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在校準(zhǔn)證書上反映。校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括以下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標(biāo)識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標(biāo)識；g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的接收日期；h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說明；i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識，包括名稱及代號；j)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及其有效性說明；k)校準(zhǔn)環(huán)境的描述；I)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明；n)校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識；o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校太陽電池有效的聲明；p)以及未經(jīng)實驗室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。5具體參照附錄A,格式上可依據(jù)實際情況做合理改動。被校準(zhǔn)太陽電池的光電性能參數(shù)如短路電流、開路電壓、最大功率、最佳工作電流、最佳工作電壓等數(shù)據(jù)應(yīng)記入校準(zhǔn)原始記錄，按附錄B的格式給出。9復(fù)校時間間隔建議復(fù)校時間間隔為1年。由于復(fù)校時間間隔的長短是由被校對象使用情況、使用者及其本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校6附錄A校準(zhǔn)結(jié)果內(nèi)頁推薦格式25℃,1000W/m2輻照度條件下，太陽電池的光電性能參數(shù)校準(zhǔn)。電流-電壓特性曲線如下圖所示：光電性能參數(shù)列表如下：電流密度最大功率最佳工作電流最佳工作電壓7B.1基本信息校準(zhǔn)原始記錄內(nèi)頁推薦格式型號規(guī)格出廠編號生產(chǎn)廠家計量器具證書號溫度：濕度：校準(zhǔn)員：核驗員：B.2光電性能參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄B.2.1光電性能參數(shù)校準(zhǔn)電流密度短路電流填充因子最大功率最佳工作電流最佳工作電壓88附錄C校準(zhǔn)不確定度評定示例依據(jù)本校準(zhǔn)規(guī)范的各項計量特性及校準(zhǔn)條件與校準(zhǔn)項目的規(guī)定，對太陽電池進(jìn)行了校準(zhǔn)。下面針對短路電流(I?)、開路電壓(Vo)、最佳工作電流(Im)、最佳工作電壓(Vm)和最大功率(Pm)關(guān)鍵參數(shù)測量結(jié)果的不確定度逐一進(jìn)行評定分析。C.1太陽電池短路電流(Isc)校準(zhǔn)不確定度的評定C.1.1測量模型C.1.2校準(zhǔn)不確定度分析根據(jù)太陽電池短路電流(Is)的影響因素，其不確定度分量包括：標(biāo)準(zhǔn)太陽電池定標(biāo)引入的不確定度u?;標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池光譜失配引入的不確定度uz;太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度引入的不確定度u?;測量重復(fù)性引入的不確定度u?;溫度控制偏差引入的不確定度us。(注：以上不確定度分量均為相C.1.2.1標(biāo)準(zhǔn)太陽電池溯源引入的不確定度u?利用光譜響應(yīng)度類似的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定太陽模擬器的光強(qiáng)時，通過IEC60904-4所描述的DSR方法對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)度測量，計算得出STC條件下的短路電流即標(biāo)定值(CV)。其不確定度由上一級的校準(zhǔn)證書獲得，為B類評定。經(jīng)計量校準(zhǔn)所給定的擴(kuò)展不確定度U(CV)=0.9%(k=2),故u?=0.45%。C.1.2.2標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池光譜失配引入的不確定度u?由于標(biāo)定太陽模擬器輻照度的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池光譜響應(yīng)度不完全一致，將引入不確定度。本校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定所用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)度需匹配一致，故由此引起的不確定度u?較小。通過光譜失配因子(MMF)計算，典型的失配誤差約為0.05%。C.1.2.3太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度引入的不確定度u?目前用于校準(zhǔn)太陽電池電性能的太陽模擬器性能等級較優(yōu)，在30min內(nèi)，同一工作區(qū)域重復(fù)測量，校準(zhǔn)用太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度為0.3%,為均勻分布，則由輻照度的重復(fù)性引入的不確定度C.1.2.4測量重復(fù)性引入的不確定度u140.794;140.698。計算其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.15%,為A類評定。相對不確定度為C.1.2.5溫度控制偏差引入的不確定度us溫度的影響和太陽電池短路電流的溫度系數(shù)相關(guān)。由于太陽電池的短路電流隨溫度變化較小，典型的短路電流-溫度關(guān)系曲線如圖C.1所示，溫度系數(shù)a=0.05mA/℃,9短路電流/mA此太陽電池的短路電流為125.2mA,如溫度偏差是1℃,此相對偏差為[(0.短路電流/mAC.1.2.6儀器儀表引入的不確定度u?本校準(zhǔn)規(guī)范要求的I-V曲線測試最大允許偏差為±0.2%。根據(jù)量值溯源證書，其對電流測量引入的不確定度為0.3%(k=2),故此分量u?為0.15%。C.1.3不確定度合成短路電流不確定度匯總見表C.1。不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.45%(B類)光譜失配0.05%(B類)輻照不穩(wěn)定度0.17%(B類)0.18%(A類)溫度偏差0.04%(B類)儀器儀表0.15%(B類)合成相對不確定度：um(I)=√uǐ+u2+ui+uí+相對擴(kuò)展不確定度(取k=2):Um(Ix)=2ug(Iy)=2×0.54%≈C.2太陽電池開路電壓(Vo。)校準(zhǔn)不確定度的評定C.2.1測量模型開路電壓/mv開路電壓/mv根據(jù)太陽電池開路電壓(Voc)的影響因素，其不確定度分量包括：測量重復(fù)性引入的不確定度u?;溫度控制偏差引入的不確定度ug;太陽模擬器輻照度偏差引入的不C.2.2.1測量重復(fù)性引入的不確定度u?對被測樣品太陽電池進(jìn)行10次重復(fù)性測量，得出10組開路電壓值(mV),分別為：642.972;642.116;643.974;642.885;643.500;643.057;643.502;644.693;644.253;643.362。計算其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.12%,為A類評定。故相對不確定度為u?=0.12%。C.2.2.2溫度控制偏差引入的不確定度ug溫度的影響和太陽電池開路電壓的溫度系數(shù)相關(guān)。典型的開路電壓隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖C.2所示，溫度系數(shù)β=-2.02mV/℃,此太陽電池的開路電壓為594.6mV,如溫度偏差是1℃,最大偏差為[(2.02×1)/594.6]×100%≈0.34%。C.2.2.3太陽模擬器輻照度偏差引入的不確定度ug引起太陽模擬器輻照度偏差的主要因素包括：太陽電池測量位置重復(fù)性，以及太陽模擬器本身的輻照不均勻性和不穩(wěn)定性等。如表C.2所列，太陽電池開路電壓在輻照度變化1%的情況下，由太陽模擬器輻照度偏差引入的不確定度ug=0.1%。輻照度E/(W/m2)%根據(jù)量值溯源證書，其對電壓測量的不確定度為0.2%(k=2),故此分量ui?為0.1%。C.2.3不確定度合成開路電壓不確定度匯總見表C.3。不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.12%(A類)溫度偏差0.34%(B類)0.1%(B類)儀器儀表0.1%(B類)合成相對不確定度：相對擴(kuò)展不確定度(取k=2):U(Va)=2u(V)=2×0.39%≈C.3太陽電池最佳工作電流(Im)校準(zhǔn)不確定度的評定C.3.1測量模型y=Im(C.3)C.3.2校準(zhǔn)不確定度分析除測量重復(fù)性引入的不確定度分量外，最佳工作電流(Im)的影響因素與短路電流(I)相同。根據(jù)10次實際重復(fù)測試數(shù)據(jù)，分別如下(mA):132.123;132.893;132.205;132.058;132.318;132.211;132.193;132.309;132.251;132.390,計算得出測量重復(fù)性引入的不確定度分量為：uu=0.17%。C.3.3不確定度合成：最佳工作電流不確定度匯總見表C.4。不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.45%(B類)光譜失配0.05%(B類)輻照不穩(wěn)定度0.17%(B類)0.17%(A類)溫度偏差0.04%(B類)儀器儀表0.15%(B類)合成相對不確定度：ug(Im)=√uì+u2+u}+uì+u相對擴(kuò)展不確定度(取k=2):Ur(Im)=2ur(Im)=2×0.54%≈C.4太陽電池最佳工作電壓(Vm)校準(zhǔn)不確定度的評定C.4.1測量模型y=VmC.4.2校準(zhǔn)不確定度分析除測量重復(fù)性引入的不確定度分量外，太陽電池最佳工作電壓(Vm)的影響因素與開路電壓(Voc)相同。根據(jù)10次實際重復(fù)測試數(shù)據(jù)，分別如下(mV):518.602;515.759;519.220;5518.254,計算得出測量重復(fù)性引入的不確定度分量為：uiz=0.23%。C.4.3不確定度合成最佳工作電壓不確定度匯總見表C.