【国际标准】IEC 60904-8光伏器件光谱响应度测量规范(上)

光伏器件---第8部:光伏器件光谱响应度测量   (上)
Photovoltaic devices---Part 8: Measurement of spectral responsivity of a photovoltaic (PV) device

光谱响应(Spectral Responsivity, SR)是评价光电侦测器件(如太阳能电池、亮度计、光探测器等等)光电转换能力的重点指标。不同的光电侦测器件在不同的光谱范围内的光谱响应度亦不同,引因此,透过测量分析光电材料的光谱响应度,可进一步获得材料的各种特性。
本文介绍IEC 60904-8标准,针对光伏器件光谱响应度测量进行规范和程序说明。由于光谱响应度反映了太阳能电池对不同波长的光电转换效率(photovoltaic conversion efficiency),而光伏器件转换效率的好坏,会因本身材料、制程、结构等因素影响,因此,可透过光谱响应度测量来进行检测分析电池在不同条件下,转换效率的变化,以分析制程的优劣,找出相关提高效率的关键因素。IEC 60904-8光伏器件光谱响应度测量规范,以确保产业界能遵循此规范,确保量测的准确度。

一、适用范围
光谱响应(Spectral Responsivity, SR)是评价光电侦测器件(如太阳能电池、亮度计、光探测器等等)光电转换能力的重点指标。不同的光电侦测器件在不同的光谱范围内的光谱响应度亦不同,引因此,透过测量分析光电材料的光谱响应度,可进一步获得材料的各种特性。
本文介绍IEC 60904-8标准,针对光伏器件光谱响应度测量进行规范和程序说明。由于光谱响应度反映了太阳能电池对不同波长的光电转换效率(photovoltaic conversion efficiency),而光伏器件转换效率的好坏,会因本身材料、制程、结构等因素影响,因此,可透过光谱响应度测量来进行检测分析电池在不同条件下,转换效率的变化,以分析制程的优劣,找出相关提高效率的关键因素。IEC 60904-8光伏器件光谱响应度测量规范,以确保产业界能遵循此规范,确保量测的准确度。

二、 引用标准
以下标准之全部或部分内容为本标准所引用。有标注日期的参考文件,仅引用的版本适用;未标注的参考文件,以最新版本(包括补充增修)适用本标准。
IEC 60904-3光伏器件 第3部分—地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据
IEC 60904-7光伏器件 第7部分—光伏器件测量过程中引起的光谱失配误差的计算
IEC 60904-9光伏器件 第9部分—太阳光仿真器之性能要求
IEC 61215 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型
IEC 61646地面用薄膜型光伏组件设计鉴定和定型
IEC 61836 太阳光伏能源系统术语、定义和符号

三、光伏器件需备注清楚易读标示
光伏器件必须具有清楚易读的标示。标示应与下列项目交户参照:
- 制造者之名称、识别标志或符号
- 光伏器件的基础材料和类型
- 型号或标识符(若适用)
- 序号(若适用)
若待测的光伏器件为新设计之原型且非来自产线,应于测试报告中备注(请参考第10节)

四、光伏器件的测量
4.1 概述
光伏器件应依照第7节至第9节其中所述的光谱响应测量程序。

4.2 特殊考虑:光伏器件稳定性的初步评估
初步评估:在测量光伏器件的光谱响应之前,待测器件必须是稳定的状态,可藉由适当的光曝露测试程序(light soaking test)使待测器件稳定(如有必要),如IEC 61215或IEC 61646规范所述。不同太阳光电技术亦需要不同的光伏器件稳定度评估程序。

4.3 在白偏置光下的测量
在第7节和第9节规范中要求,在光谱响应度测量期间,应在待测器件上照射白偏置光。在偏置光条件下,应进行差分光谱响应度(the differential spectral responsivity)测量,而非光谱响应度。
标准测试条件(请参照第5节)中,藉由能使装置产生5 %至110 %短路电流范围之偏光水平,进行一连串的光谱差分光谱响应之测量,将非线性度纳入考虑,可根据差分光谱响应度进而获得光谱响应度。
大部分晶硅太阳能电池在产生30 %至40 %短路电流之偏光水平下,其微光谱响应度和光谱响应度相同;因此,若无法决定晶硅光伏器件之非线性度时,可透过偏置光位准进行测量。若在可确定的情况下,则可忽略,亦即,差分光谱响应在所关注的幅照度范围内为恒定,则可使用特定光水平下的差分光谱响应度。请详见第5节。

4.4 在待测器件上施加偏压
一般而言,光伏器件的光谱响应是在短路条件下(零偏压)测量,并用于电池分析及计算光谱不匹配因素等应用。
为了在特定电压下测量样品的光谱响应,则可能需要施加偏压。器件的偏压应由外部电压源(external voltage source)来控制,如有施压偏压,应于报告中加以说明。

五、光谱响应度测量之概述
透过窄带宽光源(narrow-bandwidth light source) ,在其涵盖光谱响应范围的不同波长下,照射光伏器件以测量光谱响应度,并测量每一波长下器件的短路电流及单色辐照度(公式1),或短路电流及单色光束功率(公式2)。
第一类型的测量结果为光谱辐照响应,单位为A/Wm-2。为了确定IEC 61386规范中所定义的光谱响应度,需除以待测器件的面积;第二类型则可直接得到光谱响应度,单位为A/W。
为了确定待测器件的输出电流,偏置光和单色光应均匀地照射在整个器件上。有效地照射在整个面积是相当重要的,未直接照射在作用区的光源,亦可能会对量测讯号产生影响。若依据IEC 60904-7规范,透过光谱响应度计算光谱失配校正,则测量光谱响应时的照射面积与测量电流-电压特性的面积一致,此面积通常为整个器件的面积。若不是,则应利用遮光掩模板界定范围。
若器件的面积大于照射光束尺寸,则应将光束适当地扫描整个器件面积以提供均匀的照射。若两种光束需进行扫描时,应与偏置光同步扫描,偏置光照射的区域必定会大于单色光。器件的温度也需要控制。待测器件每个波长之电流密度,除以对应之照射度即可获得光谱响应度。

s(λ) = Isc (λ)/E(λ)/A ……………………(1)
式中:
s(λ):为波长λ时,待测器件的光谱响应度。
Isc(λ):为波长λ时,待测器件的短路电流。
E(λ):为波长λ时,光源之辐照度。
A:为待测器件的面积。
应在测试报告中标注待测器件的面积。

或者,可测量短路电流Isc(λ)及照射到器件的的照射功率P(λ)。光谱响应度计算如下:
s(λ) = Isc(λ)/P(λ) ……………………(2)
式中:
Isc(λ):为波长λ时,待测器件的短路电流。
P(λ):为波长λ时,照射到器件的照射功率。
计算P(λ)时,需测量待测器件的面积,且应标注在测试报告中。

实务上(请参照第7节和第9节),来自单色光的小型调变讯号,会迭加到源自白偏置光的所产生较大的信号上,在此情况下,应将评估量视为差分。与差分光谱响应度DSR) s ̃(λ,E) 相关的波长(a wavelength dependent differential spectral responsivity (DSR) s ̃(λ,E),用来测定特定偏置光辐照度E。在标准测试条件(STC)下的光谱响应度s(λ) |STC  ,只有当器件为完全线性时才会等于差分光谱响应度。若确定非线性度可忽略,则可使用在特定偏置光位准下的差分光谱响应度。举例说明,若在偏置光位准内产生的Isc在标准测试条件5%至110%范围内,差分光谱响应度或所获得的光谱不匹配因子为常数,则可使用在偏置光位准为100%标准测试条件下的差分光谱响应度。在其他情况下,应在有足够的偏置光辐照度下,测量差分光谱响应度,即可计算所获得的光谱响应度,或可使用s ̃(λ,E0 )≈s(λ)  |STC  . 找到特定偏置光辐照度E0

六、设备

6.1 概述
光谱响应测量系统包含连续(斩断或未斩断)或脉冲式单色光源;可选用具侦测器之光束分光组件、载台、基准校正装置、选用的偏置光组件和电子仪器。图1和图2为测量太阳能电池差分光谱响应的配置范例。
备注:若使用光斩波器(optical chopper)(图1和图2),应注意不要让光斩波器反射的偏置光入射到测试平面。
图一:使用连续光源及光栅单色分光仪之差分光谱响应度测量仪器之系统设置示意图

▲图1(a) 单色分光仪设置在斩波器之前


▲图1(b) 单色分光仪设置在斩波器之后


图二:使用连续光源及带通滤波器之差分光谱响应度量测仪器之系统设置示意图


▲图2(a) 滤波器设置于斩波器之前



▲图2(b) 滤波器设置于斩波器之后
6.2 单色光源
单色光大多由光源和单色仪(如光栅)或具有带通滤波的滤光轮产生。若光谱响应量测范围介于300 nm~1200 nm间的,单色光的带宽(半峰全宽-FWHM)不应超过20nm。若范围超过3000 nm,带宽不应超过50 nm。
备注:应依据待测器件光谱响应度的精细结构变化而选择单色光的频带宽度。对晶硅电池或薄膜太阳能电池来说,一般选择10 nm-15 nm的带宽(FWHM)。
产生单色光的光源及其电源供应器所产生的频闪波动应低于2 %。根据IEC 60904-9规范中,在测试面中的单色光不均匀度应小于2 %。当基准装置与待测器件在面积或形状上有所差异时,空间不均匀度与结果就有相当大的关连性,在不确定度的测量中,应考虑此因素。
在稳定光源的测试条件下,通常会在相同位置且连续地测量基准装置和待测器件,而只有当两者尺寸不同时,不均匀度才会影响结果。
在能充分均匀照射大面积的测试条件下,基准装置和待测器件应并排放置并同时进行测量,以避免频闪波动的影响。或者,可用分光配置以提供基准装置和待测器件两个均匀的测试面。
备注:与IEC 60904-9规范中A级太阳光仿真器定义相同。

6.3 光伏器件载台和温度控制
光伏器件载台应提供待测器件良好的导电性,并能控制待测器件及基准装置的温度。基准装置和待测器件温度的测量或控制准确度应在1 °C内、重复性为 0.5 °C。基准装置及待测器件的温度均匀度应在2 °C内。若基准装置的温度与其校正时的温度差超过2 °C,校正准值应调整到测量的温度。
备注:基准装置校正与量测之间的温度差,通常会对光子能量接近基准装置的能带边缘(band edge)的量测波段造成最大的影响。

6.4 光伏器件的装置接点
待测器件应采用4点接线方式(Kelvin contacts,即电流与电压分开的接点),以便在光谱响应测量期间测量电池电压;其设计应确保接点不会阻碍待测器件的温度控制,特别是当所有接点皆在电池背面的情况下。
备注:若待测器件的分路电阻较低时,正确测量电池电压则相当重要。

6.5 偏置光
对于大部分的PV器件,使用钨丝灯或灯泡数组产生恒定的偏置光就足够了。偏置光应完全照在整个待测器件上;照射在测试面的空间不均匀度(依据IEC 60904-9规范)应小于10%,相当于等级C。另可参照第5节所述的扫描方式。

6.6 直流量测
(a) 电流和电压的测量准确度应分别为开路电压或短路电流的0.2 %,且应以独立引线来测量试体端子的电压和电流(4条引线),且引线长度愈短愈好。若待测器件为电池裸片,则应从主栅线端进行4线的连接。
备注:应仔细评估电池的连接方法,因其可能会因电阻损耗而改变电池的短路情况。此影响可能会导致光谱响应度的结果不同。

(b) 应在零电压下测量偏置光产生的短路电流。可使用电流电压转换器(转阻放大器,transimpedance amplifier),或者,可在可变偏压源上使用一个外部分路电阻器,以补偿电压下降的情况。若待测器件的电压下降至小于其开路电压(Voc)的3%,则可忽略可变偏压。

备注:对于晶硅太阳能电池而言,通常小于20 mV的偏压。

6.7 当在偏置光下的交流测量
若除了偏置光外,还使用斩波单色光测量光谱响应度,则应使用锁相放大器或同等装置,将交替产生的单色光电流与偏置光所产生的稳态电流分开。如上所述,应选择电流电压转换器或外部分路电阻器,让待测器件的电压小于开路电压的3%。并确保测量设备或放大器不会因为偏置光产生的直流电而达到饱和。应在测试报告中标注斩波频率。

备注:斩波频率的选择,应使其周期时间大于待测器件的时间常数;此外,斩波平率不能和电源频率或其谐波重迭。
将电池两端的电压设置为所需的数值(短路条件为0V或所需电压)

6.8 基准装置
单色光的辐照度或功率可透过诸如热辐射计、校正光电二极管或光伏器件来测量。硅光电二极管可用于300 nm~1100 nm的波长范围。Ge光电二极管、InGaAs光电二极管或其他具带隙较低的器件和温度侦测器,可用在更大的波长范围。具较大波长范围光谱响应度的待测器件,测量时须使用2个或多个不同的基准装置,确保能涵盖较大的波长范围。
备注一:温度探测器较不适用,因它们的时间常数比斩波光的周期时间长。
备注二:若使用2个以上的基准装置来扩大测量系统的波长范围时,需避免基准装置波长范围重迭所造成的量测错误。