太陽電池校準規(guī)范：光電性能

1太陽電池校準規(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。用于標準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，主要由性能介于導體和絕緣體之間的半導體制成。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”。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，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)進行測量。太陽電池光電性能校準參數(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標準測試條件(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，無影響儀器正常工作的電磁場、機械振動，光學暗校準用計量器具和測量標準應經(jīng)計量技術(shù)機構(gòu)檢定合格或校準，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標準太陽電池：依據(jù)IEC60904-4的溯源方法，其CV值(即標定值，定義為標準測試條件下的短路電流)由標準探測器標定的太陽電池。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行校準，即在相同的條件下(光輻照、溫度、安裝位置等),分別測量標準太陽電池和被校準太陽電池的光電性能，用比較法7.2.2校準方法和步驟7.2.2.1將標準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7.2.2.2用測溫裝置測量標準太陽電池的溫度，并通過樣品臺控溫，使得在測試過程4中，標準太陽電池維持在25℃±2℃。7.2.2.3測量標準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移走標準太陽電池，將被校準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置的條件下記錄被校準太陽電池的電流-電壓特性。(如果被測條件不是標準測試條件，可按照標準IEC60891:2009的規(guī)定，將實測的電流-電壓特性修正到標準測試條件)。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)進行計算：轉(zhuǎn)換效率應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校準結(jié)果表達校準結(jié)果應在校準證書上反映。校準證書應至少包括以下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標識；g)進行校準的日期，如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關(guān)時，應說明被校對象的接收日期；h)如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關(guān)時，應對被校樣品的抽樣程序進行說明；i)校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標識，包括名稱及代號；j)本次校準所用測量標準的溯源性及其有效性說明；k)校準環(huán)境的描述；I)校準結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對校準規(guī)范的偏離的說明；n)校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識；o)校準結(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，不得部分復制證書的聲明。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)應記入校準原始記錄，按附錄B的格式給出。9復校時間間隔建議復校時間間隔為1年。由于復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校6附錄A校準結(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。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：校準員：核驗員：B.2光電性能參數(shù)校準數(shù)據(jù)記錄B.2.1光電性能參數(shù)校準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校準不確定度評定示例依據(jù)本校準規(guī)范的各項計量特性及校準條件與校準項目的規(guī)定，對太陽電池進行了校準。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行評定分析。C.1太陽電池短路電流(Isc)校準不確定度的評定C.1.1測量模型C.1.2校準不確定度分析根據(jù)太陽電池短路電流(Is)的影響因素，其不確定度分量包括：標準太陽電池定標引入的不確定度u?;標準太陽電池和被校準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標準太陽電池溯源引入的不確定度u?利用光譜響應度類似的標準太陽電池標定太陽模擬器的光強時，通過IEC60904-4所描述的DSR方法對標準太陽電池的光譜響應度測量，計算得出STC條件下的短路電流即標定值(CV)。其不確定度由上一級的校準證書獲得，為B類評定。經(jīng)計量校準所給定的擴展不確定度U(CV)=0.9%(k=2),故u?=0.45%。C.1.2.2標準太陽電池和被校準太陽電池光譜失配引入的不確定度u?由于標定太陽模擬器輻照度的標準太陽電池和被校準太陽電池光譜響應度不完全一致，將引入不確定度。本校準規(guī)范規(guī)定所用標準太陽電池和被校準太陽電池的光譜響應度需匹配一致，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)域重復測量，校準用太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度為0.3%,為均勻分布，則由輻照度的重復性引入的不確定度C.1.2.4測量重復性引入的不確定度u140.794;140.698。計算其相對標準偏差約為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。不確定度來源標準不確定度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測量重復性引入的不確定度u?對被測樣品太陽電池進行10次重復性測量，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。計算其相對標準偏差約為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。不確定度來源標準不確定度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)校準不確定度的評定C.3.1測量模型y=Im(C.3)C.3.2校準不確定度分析除測量重復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。不確定度來源標準不確定度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)校準不確定度的評定C.4.1測量模型y=VmC.4.2校準不確定度分析除測量重復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.