MSR全自动组件光谱响应测试系统

型号 : MSR

大光斑光源系统为光焱科技累积多年来技术与经验所推出产品,不仅符合IEC 60904-8:2014版本之规范要求,更提供高精确度、重复性与便利的人机介面来协助客户。本系统采用大光班技术(面积可达156 mm ~ 156 mm以上) ,解决传统小光斑对于商用电池片校准上的问题(如测量代表性、量测时间等)。另一方面,也可扩充至元件测量功能,不仅可以进行标准元件功率标定,另外可协助客户了解元件封装后之性能表现,如玻璃选用、EVA封装材料、背板等换料评估与可靠度试验。且采用新一代的光学设计可轻易变更单色光照射方向,(如由上往下、侧向照测或者下往上照射)可全方位满足研究人员需求。

以下大光斑之应用情形:

 六吋电池片

大光斑光源系统可提供高均匀度之单色光,其面积可满足市售商业电池片,可真实反应电池片整体光谱回应,建立优于德国Fraunhofer ISE校准实验室的检测能力,解决国内电池与元件业者必须将电池片或元件送至国外检测机构测试所遭遇之问题。

除此之外,大光斑光源系统可将元件或电池片直接溯源至WVPS参考电池,可降低量测不确定度,建立更精确之标准电池片与标准元件。


 大光斑光源系统;单色光(上)光源稳定度(下)



项目 规格
灯源系统 a. 可量测波长范围:300-1200 nm
b. 150 W Xe氙灯
c. 光强稳定度 < 0.5 %
单光仪 a. 1/8m Czemy-Turner 多光栅单光仪
b. 波长范围:300 -1200 nm
c. 波长解析度: 0.2 nm (with 1200g/mm grating)
d. 光栅自动切换软体控制
e. 低杂散光设计 < 10-5
自动滤片转轮 a. 四个滤片,最多可装6片
b. 杂散光消除功能
光学系统 a. 高效率积体光学设计
b. 单色光面积≧156 x 156 mm2
c. 单色光均匀度≧95 % ( 156 x 156 mm2)
斩波器 a. 频率范围:4-200 Hz (adjustable)
电子系统 a. 双通道数位锁相放大器
b. 5A安培直流滤波功能
c. 6吋电池片/组件自动切换功能
d. 10 A直流滤波功能(option)
偏光模组 a. Cell light bias system and module light bias system
参考电池 a. 六吋单晶电池片(附Fraunhofer ISE报告)
b. WPVS 参考电池PTB追溯)
电池用载台 a. 6吋真空导电载台
b. 真空帮浦与配件
c. 四线式量测探针座(to 5 bus bars)
d. TE致冷器设计
e. 载台温度控制范围 25±1°C < 10-5
f. 温度精度: ± 0.5°C < 10-5
温度控制系统 a. 主动式散热系统for 6 x 12PV module
b. PT-100 温度感测器
c. 模组温度(背版)可控制再25 ± 2°C以内
组件位移控制 a. 双轴位移平台
b. 手动移动方式
c. 最大尺寸为2 m x1.5 m (for 6* 12 cells)
IV扫描模组 a. 50 V / 10 A
b. EL/定位用200万画数相机
WPVS教准能力扩充 a. WPVS校正用载台
b. WPVS用之低杂讯与直流滤波放大器模组
c. 单色光修正模组
电脑系统 a. With OS, monitor and keyboard
软体功能 a. 系统控制与自动存档
b. 自动校准功能(须搭配电控系统)
c. 组件各电池片定位功能(搭配电控载台)
d. 全组件SR自动mapping功能(须搭配电控载台)
e. 全组件EL mapping功能(矽晶)
f. 自动SRQE测量功能(须搭配电控系统
g. AM1.5G/AM1.5D 短路电流密度计算
h. 资料格式转换txt to spreadsheets
光谱失配因数计算 a. 光谱失配因数计算 (IEC 60904-7)
b. 输入其他光谱资料进行失配因数计算
c. I-V曲线MMF修正功能
电力系统需求 a. AC 220-240 Vac/ 50 Hz /单相
b. 50 Amps 
安全系统 a. 一个50 A/220 V断路器

● 波長範圍 300-1200 nm,采一代光學設計,光強穩定度可達1< %,且530 nm光強度可達5 uW/cm2以上。

● 高均勻度(>95 %)全尺寸6吋商用電池片照射面積(156 x 156 mm2),優於ISE之系統(Fraunhofer ISE > 90 % )。

● 采光纖式均光模組,可依需求與改變照光方向(由上往下、由下往上或者水準照射)。



非破坏性元件光谱响应度测试对EL图像分析的实验研究

吴恒信、陈震伟、林启清龚道仁、陈磊杰、李文欣谢秉鑫海岩、廖华贤

|【摘要】

以光伏元件尺寸为基础所研制的光谱响应度测试设备,利用此设备来测试光伏元件,或者是已经受光衰退或受环境导致老化的组件,由其是光伏元件长时间置于户外电站工作时会因不同的地点和气候环境所影响,这是无法用一相同工艺的小元件可以类比的.在不破坏元件结构情况下,进行光谱回应度测试和相关的光学分析.透过电激发光(Electro Luminescence简记为EL)所拍摄的图像,再转换成平均灰度值,此法可以快速的区分良好电池和受损电池的差异,同时也可找出影响此元件效能的限流电池.由元件光谱回应度测试设备验证其正确性,计算各电池的短路电流值可得短路电流值和EL平均灰度值的关系。测试元件光谱回应度时,元件的电池会应温度影响而导致偏压偏移,造成测量上的误差,而单色光光斑面积,需尽可能覆盖整个电池片,如此才不会受电池的不均匀性影响,造成测量的高不确定度。

|【引言】

元件性能是光伏发电的核心,不同户外光谱分布对元件性能有重大影响.分散式光伏发电的规模化发展将面临复杂多样的安装环境,不同安装地点的户外光谱分布差异很大。但当前元件研发、测试认证、交易中的功率标定等,主要是依据国际标准IEC 61215IEC 61646内所规定的标准测试条件条件下(STC)进行功率的测定。但光伏电站安装地点很难持续符合STC条件,不同日照、不同地形、不同纬度、不同空气品质等均会导致安装地点的实际光谱与AM1.5G产生偏离。

光伏元件为了要能够固定太阳能电池及连接电路导线提供各电池片的绝缘保护、提供适度的机械强度和有更好的耐热、耐低温、抗湿及耐候性,都会加入EVA膜,其中最很重要且必需被考虑的因素,就是EVA长时间老化所造成的黄化现象,以及EVA封装不良造成电池片受潮和PID效应所造成的衰退等影响[6,7,8]。此些现象会因不同的地理位置及环境,造成不同的黄化结果及失效,而影响组件的光谱特性,相对的元件发电的表现会直接受影响,但一般只能通过功率测试来判断元件的好坏,而无法进行更深入的分析。

本文将透过元件光谱回应度测试设备,如图1,来进行非破坏的元件测试,再利用EL影像做为分析比较的工具,可快速有效的找出影响此元件的限流电池;同时使用不同光斑面积大小的单色光进行测试并说明和一般电池片测试的差异性。


图一:组件光谱响应度测试设备

1.组件光谱响应度测试设备 Module spectral response equipment


|【元件光谱响应度测试方法

 测试规范发展背景

国际电子电机委员会光伏能源标准化技术委员会(IEC/TC82)已于2014年发布了最新版的IEC 60904-8[9]标准,此标准主要是定义光谱回应度的测试原理、方法和所需的硬体要求。而第三版新增了串联元件的光谱回应测试方法,解决目前光伏产业光谱回应量测必须额外封装电池片量测,且无法保存之问题。同时,为了加速光伏产业的大量应用,国际电子电机委员会也发展了元件性能评估标准,IEC 61853[10],其内容主要是针对光伏元件的温度和辐照度的性能测试、太阳光光谱与入射角对元件的相对影响,并透过演算法来精确估算此元件在特定地点的发电量,也都间接指出组件光谱回应的重要性。

◆ 光伏电池光谱响应度测试方法

目前市售的光谱响应度测试设备(又称量子效率),都只能针对单一电池结构进行量测,对于非单晶矽材料的电池,需使用外部的偏置光来进行测试,主要是因为单色光所产生的电子会被电池内部的缺陷(defect)补捉住,所以在测试时会加入偏置光.透过偏置光源先使电池处于饱和条件下再进行单色光的测试,测试架构如图2所示:

图二:电池光谱响应度测试架构图

2.电池光谱响应度测试架构图 The structure of spectral response measurement for solar cell

太阳能电池的工艺有很多种,如单/多晶矽、薄膜、CIGS、CdTe、OPV、DSSC…等,各个材料特性也有些微不同,由其是对光的灵敏度和线性度,所以在测试时需透过偏置光的变化来选择在其线性区进行测试[11,12]

◆ 光伏元件光谱响应度测试方法

国际电子电机委员会光伏能源标准化技术委员会在2014年发布了最新版的IEC 60904-83rd,也特别针对串列元件提出了一测试方法.组件的测试架构如图3所示:

图三:组件光谱响应度测试架构图[9]

图3.组件光谱响应度测试架构图[9] The structure of spectral response measurement for PV module[9]

元件光谱回应度测试需要的光源有3组,第1组为主要单色截频光源,第2组为待测电池的白色偏置光源,第3种光源为额外偏置光光源。辅助光源主要的功能是透过元件受光让待测电池外的电池可以导通,使元件限流的主要电池为目标待测电池.接着加入一逆向偏压Vb使待测电池讯号可以被有效撷取。

|【实验系统】

 测试组件样品

为了确保电池片的完整性和减少接触串联电阻的影响,在本次研究中,我们不从组件背板挖开再引线出来,而向光伏业者客制了一组件(样品1),其电极已分别拉出,组件样品如下图4.此样品主要是用来确定元件测试方法的正确性。

The picture of test module(sample 1)

4.组件照片(样品1) The picture of test module(sample 1)

同时,为了分析元件长时间在户外环境曝晒后的失效表现,我们另外选择了一元件,此元件已经有些微的隐裂现象,再将其放入环境试验箱长时间测试,使电池片有更明显的隐裂且功率有明显衰退的组件(样品2)。

◆ 测试方法

根据标准IEC 60904-8的测试程式,透过I-V曲线的测试方式,计算出所需要的偏压,做为串列元件两端的偏压.使用样品1元件,透过事先拉出的电极直接测量该电池的光谱回应度,再和串列元件两端所测得的光谱回应度做比对,来确认偏压和实验资料的正确性。其测试方法如下:

依据IEC 60904-8串联元件的测试方法,必需先计算施加于串联元件的偏压.首先整个元件需在额外偏置光光源下且没有遮蔽的情况,测量整个元件的I-V曲线,如图5曲线1所示.经由式(1)修正曲线1得到曲线2

formula 1

其中 n 为此串联元件电池的数目.接着提供一独立的白色偏置光源在待测电池上测量元件I-V曲线,如曲线3所示.最后再计算曲线2和曲线3的交叉点,此点所对应的电压值,即为此串联元件的偏压值Vb


图5.组件光谱响应度偏压测试 Determine the bias voltage of module spectral response measurement.


●  全组件于额外偏置光光源下I-V曲线
● 计算所得I-V曲线
●  白色偏置光源在待测电池上所测得I-V曲线


在得到Vb后,在曲线3的偏置光条件下,对此串联元件加入此偏压值,进行光谱回应度测试。

由于单一电池器件的光谱响应度测试可透过硬体的设计,可直接在有偏置光的环境下进行测试,不会有偏压的问题,而元件的光谱回应度测试需要加入适当的偏压才能正确的测量到实际的光谱回应度值。

另一方面,为调查光伏组件长时间置于户外曝晒后老化情况,本研究将已经过环境试验箱老化过的元件(样品2)拿来进行光谱回应量测.同时,利用EL相机拍摄此元件(样品2)的EL图像,并选择此元件的其中一电池串进行光谱回应度测试,再计算其短路电流密度并比较其对应的EL图像,找出其关联性。

|【测量结果】

 串联元件两端和单一电池比较

如图6所示,直接从电池端点测量此电池的光谱回应度和由元件两端并施加 偏压所测量得到的资料是一致的.但若元件测试时没有加入偏压,所测量得到的值是不正确的。

图6.不同测试端点的元件光谱回应度比较 The comparison of the module spectral response from different electrode terminal.

◆ 不同测试位置的光谱回应度对应EL图像

透过元件EL测试机,可以很清楚地发现此元件的隐裂现象.本文章中,我们将此组件的电池片分类成6排 (A~F)10列(1~10)做为电池编号,如图7所示

图七:(样品2)元件EL图像

7.(样品2)元件EL图像 The module (sample 2) EL image.

EL图像目视检查可以发现在第C排的电池串有较多的隐裂现象,因此我们选择此排电池串做光谱响应度测试来探讨和EL图像的关系。根据IEC 60904-8,我们先测量整个电池串的I-V曲线,接着在第2组偏置光源下个别测量在C排上每个电池的I-V曲线,计算其偏置电压,最后测量个别的光谱回应度曲线.如图8所示:


8.第C排电池的光谱回应度 The spectral responsivity of the C-series cells.

由图8可以看出电池间都有些许差异,为了可以更有效的分析每个电池的差异,将每个电池的光谱回应度值,计算成对应的短路电流密度.我们透过标准IEC 60904-7[13]所提出的电流密度计算方法来计算此C排电池串里每个电池的短路电流密度.主要方法是由光源的光谱和电池的光谱回应度内积得来,如式(2):

formula 2

式中,E(λ)——参考光源的光谱辐照度,这里我们使用的是标准太阳光光谱也就是AM 1.5G光谱;S(λ)——待测电池的光谱回应度;λ1λ2——涵盖测试电池的光谱波长范围!此外,为了比较计算得到的短路电流值和EL图像的关系,我们将此C排的电池EL图像分割,并设定相同的裁减尺寸,使图像的解析度是相同的,再透过软体图像转换,将图像转换成灰度值,最后计算各个电池片EL图像的平均灰度值.平均灰度值和短路电流密度比较如表1所示:



C排电池编号 EL图像平均灰度值 短路电流密度 mA/cm2
C01 95.397 34.24
C02 114.228 34.13
C03 109.741 34.83
C04 117.835 34.45
C05 100.249 34.01
C06 116.722 34.48
C07 120.960 34.69
C08 147.829 34.69
C09 144.946 35.09
C10 134.578 35.17

▲表1.第C排电池的EL图像平均灰度值和短路电流密度比较 The comparison of gray value from EL image and short circuit density in the C-series cells.


由表1所示,以EL图像平均灰度值做比较,电池C08有最大的平均灰度值,C01则有最小的平均灰度值.而C10显示有最大的短路电流密度,C05的短路电流密度为最小。我们将EL图像平均灰度值和短路电流密度的最大值和最小值位于同一个水准下,两者显示C01~C05有较差的表现而在C06~C10有较好的表现,表示两者的关系是一致的.其中比较有较大差异的电池是C03C08;C08显示是短路电流密度不如预期,主要原因可能是元件测试时,温度还未稳定造成的影响,导致偏置电压Vb未能使待测电池讯号有效的撷取.而C03显示的是短路电流密度有较高的表现,在C01C10也有类似相同的现象,此主要原因是光斑照射在电池上的位置未能有效的表征整个电池的表现,因为受过损害的电池,其表面有部份位置的发电效率会受影响,待测电池的位置就会间接影响结果。

 单色光光斑在电池上不同位置的比较

EL的图像可以很清楚的看到,电池受损的位置,而不同受损的机制所造成的EL图像也已经有很多相关的报告[14,15,16],且目前IEC也已开始制定相关的标准,本文就不再说明产生的原因为何。我们使用大约20 ㎜ × 20 ㎜小面积的单色光光斑,分别在电池C03的四个位置重新测量光谱回应度,测量的位置说明嵌入在图9左上方。结果显示,当测试位置在电池上方时,会有较低的光谱响应度和短路电流密度,而测试位置在电池右下方时有最大的光谱回应度和短路电流密度如图9所示.所以当测试有损害或老化过的电池时,单色光光斑大小会影响最终的测试结果。


▲图9.电池C03不同位置的光谱响应度 The spectral responsivity of the Cell C03 at different position.

|【结论】

元件光谱回应技术不仅可以量测整片元件真实之光谱回应,提高元件功率量测精确度,也解决现今产业界必须额外准备封装好的小元件所面临的保存问题,以及小元件如何代表真实元件等问题而且本研究中EL影像分析结果与各电池片的光谱回应资料也具有一定的相关性,可以透过EL影像分析找出最有可能的限流电池位置后,再量测该电池片之光谱回应量测,获得具代表性之元件光谱回应资料,大幅缩短量测时间。最后,由于光伏系统厂家会要求元件厂家的元件在售出时,提出相关的测试认可证书,但户外现地的气候的条件是多变的,造成元件失效的因素也是多样的。

但目前只能透过功率测试来判断元件失效与否.元件光谱回应设也可以在不破坏元件的情况下,进行元件的测试和分析,了解失效的原因.但对于测试时所使用的单色光光斑大小,最好是能够覆盖待测电池的大部份面积,若是能够完全覆盖整个待测电池,那更能减小测试时的不确定度。

【参考文献】

[1] IEC 61215: Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval.

[2] IEC 61646: Thin film silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval.

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[8] Pingel S et al, 2010 IEEE Photovoltaic Specialists Conference.

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[10] IEC 61853: Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating - Part 1: Irradiance and temperature performance measurements and power rating.

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[16] Anwar, S, Abdullah, M, 2014 Journal on Image and Video Processing 1 15.
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