用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)及單色全面光譜定標系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)及單色全面光譜定標系統(tǒng)，其中所述全面光譜響應測量系統(tǒng)包括光源、斬波器、單色儀、聚光鏡、勻光器、光學鏡、偏置光源、電池片、溫控測試臺、電流放大器、鎖相放大器，所述光源發(fā)出連續(xù)光譜的光，依次經(jīng)所述斬波器、單色儀、聚光鏡、勻光器、以及光學鏡照在所述電池片上，所述偏置光源發(fā)出偏置光照在所述電池片上，所述電池片置于所述溫控測試臺上，所述電池片依次與所述電流放大器、鎖相放大器連接。本實用新型提供的標定裝置定標準確，任何生產(chǎn)線出來的電池片都可以用來制作參考電池片，而且不受模擬器的光譜失配特性的影響。
【專利說明】用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)及單 色全面光譜定標系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及太陽能電池片測量領(lǐng)域，特別是一種用于標定參考太陽能電池片 的全面光譜響應測量系統(tǒng)及單色全面光譜定標系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前電池片生產(chǎn)企業(yè)進行電池片復制的方法和流程是：
[0003] 2. 1從生產(chǎn)線選擇一批優(yōu)質(zhì)的電池片，經(jīng)過分選-老化-再分選之后，寄送一至二 片電池片去德國太陽能研究所標定；
[0004] 2. 2德國太陽能研究所經(jīng)過一套測試和計算，給出該電池片在標準測試條件下 (AMI. 5G光譜，1000W/m2的光照度以及電池片溫度25度）的短路電流Isc。完成標定，寄回 的電池片就是二級參考電池片；
[0005] 2. 3工廠用收到的二級參考電池片，用標定證書上給出的短路電流Isc，調(diào)節(jié)模擬 器的光強，使得電池片在這個光強條件下實際產(chǎn)生的短路電流等于證書上Isc數(shù)值。一般 認為這臺模擬器已經(jīng)標定到了 ：1000W/m2的光強。
[0006] 2. 4把之前同一批經(jīng)過分選-老化-再分選之后的電池片放在該臺已經(jīng)定標好的 模擬器下。測量出各自的短路電流。這些知道了短路電流的電池片就是工廠的日常使用參 考電池片。
[0007] 2. 5工廠再把這些日常使用的參考電池片發(fā)往生產(chǎn)線，采用它的短路電流標定它 在生產(chǎn)線上模擬器的光強。
[0008] 2· 6當工廠開始生產(chǎn)新品電池片時，或者過了一定的時間周期，就采用相同方法， 重復步驟2. 1至2. 6。
[0009] 能夠采用以上方法和步驟進行參考電池片復制的前提條件是：那些經(jīng)過分選-老 化-再分選之后剩下的電池片和送往德國標定的電池片具有相同的光譜響應?；蛘呤怯脕?復制參考電池片的太陽能模擬器有100%匹配的AMI. 5G的光譜。
[0010]以目前工廠的設備能力，有能力分選出具有相近短路電流的電池片，但是還不能 分選出具有相同光譜響應的電池片。測量電池片的整片的實際光譜響應需要有全光斑的光 譜響應測試系統(tǒng)。
[0011] 具有和AML 5G光譜100%匹配的太陽能模擬器更是不現(xiàn)實。有條件的企業(yè)也許能 夠購買價格非常昂貴的失配度較小的太陽能模擬器。
[0012]用這種從某一條生產(chǎn)線篩選出來，近似相同短路電流的電池片去定標其它生產(chǎn)線 上的模擬器的前提條件是：這二條生產(chǎn)線上的模擬器具有相同的光譜失配特性?；蛘哌@二 條生產(chǎn)線生產(chǎn)具有相同光譜響應特性的電池片。
[0013]太陽能模擬器的光譜受燈的壽命影響非常大。新安裝的燈具有白色的光譜，隨著 燈的使用時間增長，燈光的顏色開始變暖，紅外光譜在增加。光學器件，比如反光鏡的鍍膜 老化會造成光譜移動。所以不同生產(chǎn)線上的太陽能模擬器多半會有不同的光譜失配特性。
[0014] 同樣不同生產(chǎn)線生產(chǎn)的電池片的光譜響應可能相差很大。它受到來料的硅片質(zhì) 量，工藝控制水平，設備新舊等條件的影響。所以工廠采用目前的方法復制出來的參考電池 片準確性取決于太陽能模擬器光譜失配特性的一致性好壞以及電池片光譜響應的一致性 的好壞。它會對某些生產(chǎn)線或者某些型號的電池片的測量分選帶來很大的誤差。 實用新型內(nèi)容
[0015] 為了解決上述問題，本實用新型提供了 一種用于標定參考太陽能電池片的全面光 譜響應測量系統(tǒng)，所述全面光譜響應測量系統(tǒng)包括光源、斬波器、單色儀、聚光鏡、勻光器、 光學鏡、偏置光源、電池片、溫控測試臺、電流放大器、鎖相放大器，所述光源發(fā)出連續(xù)光譜 的光，依次經(jīng)所述斬波器、單色儀、聚光鏡、勻光器、以及光學鏡照在所述電池片上，所述偏 置光源發(fā)出偏置光照在所述電池片上，所述電池片置于所述溫控測試臺上，所述電池片依 次與所述電流放大器、鎖相放大器連接。
[0016] 較佳地，所述光源發(fā)出光的波長范圍為300nm至1200nm。
[0017] 較佳地，所述溫控臺保證電池片本體的溫度保持在25度的標準測試條件。
[0018] 一種用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，其包括光源、斬波 器、勻光器、帶通濾光片、反光鏡、光學鏡、偏置光源、電池片溫控測試臺、電流放大器以及鎖 相放大器，所述光源發(fā)出的光經(jīng)所述斬波器、勻光器、帶通濾光片、反光鏡、光學鏡后照射在 所述電池片上，所述電池片設于所述溫控測試臺上，所述電池片依次與所述電流放大器、鎖 相放大器連接。
[0019]較佳地，所述光源可以是在紫外光和可見光都有很高光譜功率的Xenon/氙燈，或 者是光譜穩(wěn)定的Hg/未燈。
[0020]較佳地，所述光源通過所述帶通濾光片獲得一個帶寬為5加1至50nm之間的均勻單 色光。
[0021]本實用新型提供的用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)，其采用 的光源發(fā)出光的波長范圍為300nm至1200nm ;測量光斑大于待標定的電池片，測量光斑光 強的均勻性優(yōu)于10% ; ^022]本實用新型提供的用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，采用的 帶通濾光片獲得一個帶寬為5nm至50nm之間的均勻單色光，其單色光斑大于待標定的電池 片，單色光斑光強的均勻性優(yōu)于2%。
[0023]當然，實施本實用新型的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型實施例提供的參考太陽能電池片的標定方法流程圖；
[0025]圖2為本實用新型實施例提供的全面光譜響應測量系統(tǒng)組成示意圖；
[0026]圖3為本實用新型實施例提供的單色全面光譜定標系統(tǒng)組成示意圖；
[0027]圖4為本實用新型實施例提供的一級參考電池片示意圖；
[0028]圖5為本實用新型實施例提供的一級參考電池片4X4測量點示意圖；
[0029]圖6為本實用新型實施例提供的一級參考電池片5χ5測量點示意圖；
[0030]圖7為本實用新型實施例提供的二級參考電池片示意圖。

【具體實施方式】 [0031] 術(shù)語解釋：
[0032] -級參考電池片：是一種標準太陽能電池，已經(jīng)精確地標定出：在光強i〇〇〇w/m2， AMI. 5G光譜，溫度25度條件下的短路電流。它是通過二級標準儀器，比如標準傳感器，標 準光譜輻射計，通過特別的流程和設備標定出來的。它通常由國家計量院，或者相關(guān)的國家 機構(gòu)保管。它在目前所具有的技術(shù)上，最大程度地保證具有極高的長時間穩(wěn)定性和極高的 重復測量精度。電池的有效面積通常為 ：20mmx20mm。
[OO33]二級參考電池片：也是一種標準太陽能電池，用于日常的使用，比如自然光，模擬 器光強的定標。它不一定采用和制作一級標準電池片相同的技術(shù)，設備和步驟，它可以通過 和一級參考電池片做定期的比對，力求達到類似的長期穩(wěn)定性，精確度和可重復性。電池的 有效面積通吊是電池片的尺寸，5寸：125mmxl25nim，6寸：156mmxl56nim。
[0034]日常使用參考電池片：從一級或者二級參考電池片復制而來，用于日常的比如自 然光，模擬器光強定標。電池片生產(chǎn)廠產(chǎn)線上采用的通常是這類日常使用參考電池片。 [0035] ami. 5G太陽能光譜：為了便于評估，比較各種太陽能電池，組件的性能，光伏行業(yè) 采用一套稱之為AMI. 5G的光譜，作為共同標準。在國際電工委員會的標準：ieC60904-3有 詳細規(guī)定。它也可以從美國能源實驗室（NERL)的SMARTS軟件模擬出來。它實際是個理論 數(shù)值，各個國家實際的太陽光譜和AM1.5G光譜不完全相同。
[0036]太陽能模擬器：是一種模擬具有AM1.5G光譜的太陽光的裝置。它通常采用氙 燈，石英燈或者LED燈為光源，采用濾光片把光譜調(diào)節(jié)到近似于AMI. 5G。國際電工委員會 的標準：IEC6〇904-9對模擬器有詳細的要求。A級模擬器的對于AMI. 5G光譜的失配度是 土25%。
[0037] 標準測試條件：國際電工委員會的標準IEC60904-1規(guī)定：評估電池片的轉(zhuǎn)換效率 必須滿足三個測試條件:AMI· 5G光譜，1000W/m2的光強以及電池片的本體溫度：25-C ·參 考電池片就是用來定標模擬器，達到1000W/m2的光強。
[0038] 太陽能電池的光譜響應：對于以硅為材質(zhì)的太陽能電池，它能夠把光譜從300nm 到llOOnra的光轉(zhuǎn)換為電流。不同材料，不同質(zhì)量其轉(zhuǎn)換效率不同。用公式來表達：
[0039] SR(X i) = Isc(X i)/Pin(入 i)
[0040] SR(入i):為太陽能電池在光譜λ i下的光譜響應；單位：安培/瓦
[0041] Isc( λ i):為太陽能電池在光譜λ i下的短路電流；單位：安培
[0042] PinU i):為照射到太陽能電池表面的光譜λ i的能量，單位：w/m2nm-l
[0043]電池片短路電流：電池片的二端電壓為零伏條件下，電池片受光照而產(chǎn)生出來的 電流。它通常和入射光的功率成正比。因此，經(jīng)過定標之后的電池片的短路電流可以用來 定標模擬器的光功率，以及照射強度。
[0044] 本實用新型的理論基礎(chǔ)是：根據(jù)太陽能電池的光譜響應定義：SR( λ i)= Isc ( λ i)/Pin ( λ i),那么其在AMI. 5G太陽能光譜條件下的短路電流：
[0045] Isc(AMl. 5G) = SRU i)x Pin(AMi. 5G);
[0046]如果我們能夠測量出該電池片的準確的光譜響應，我們就能從以上的公式，計算 出它在AML 5G光譜條件下的短路電流ISC(AM1. 5G)。這就是標定太陽能模擬器的光強需要 用的參數(shù)值。
[0047] 實施方式
[0048]本實施例提供了一種用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)，如圖 2所示，所述全面光譜響應測量系統(tǒng)包括光源1、斬波器2、單色儀3、聚光鏡4、勻光器5、光 學鏡6、偏置光源7、電池片8、溫控測試臺9、電流放大器10、鎖相放大器11，光源1發(fā)出連 續(xù)光譜的光，一次經(jīng)斬波器 2、勻光器3、帶通濾光片4、反光鏡5以及光學鏡6照在電池片8 上，偏置光源7發(fā)出偏置光照在電池片8上，電池片8置于溫控測試臺9上，電池片8依次 與電流放大器10、鎖相放大器11連接。
[0049]本實施例還提供了一種用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，如 圖3所示，包括光源12、斬波器13、勻光器14、帶通濾光片15、反光鏡16、光學鏡17、偏置光 源18、電池片19、溫控測試臺20、電流放大器21以及鎖相放大器22,光源12發(fā)出的光經(jīng)斬 波器13、勻光器14、帶通濾光片15、反光鏡16、光學鏡17后照射在電池片19上，電池片19 設于溫控測試臺20上，電池片19依次與電流放大器21、鎖相放大器22連接。
[0050]因為多晶硅質(zhì)量的不均勻性，以及工藝控制等其它因素，晶硅電池，特別是多晶硅 電池片在其面上產(chǎn)生的電流密度是非均勻的。電池片整個面的光譜響應測量系統(tǒng)的功能就 是測量出電池完整的和總的光譜響應，而不是工廠現(xiàn)有小光斑測量的，電池片面上局部的 光譜響應。
[0051] 系統(tǒng)說明：
[0052]在圖2中，光源為單色儀提供一個有連續(xù)光譜的光，波長至少覆蓋從30〇11111至 1200nm.它可以是Xenon/氙燈光源，也可以是石英燈光源，或者二者結(jié)合。
[0053]在圖2中，斬波器和測量電路的鎖相放大器配合，用來提高測量信號的信噪比，同 時把偏置光產(chǎn)生的直流電流和測量用單色光產(chǎn)生的交流電流分隔開來。
[0054]在圖2中，經(jīng)過勻光器和光學鏡之后的均勻單色光斑需要覆蓋整個電池片，也就 是均勻單色光斑的大?。捍笥?60mmxl60nim ;
[0055] 在圖2中，偏置光的作用是提升電池片的電流，使得電池片工作在電流-光強的線 性區(qū)；
[0056] 在圖2中，溫控臺能夠保證電池片本體的溫度保持在烈度的標準測試條件。溫控 可以是半導體Peltier制冷器，也可以是水冷制冷器。
[0057] 在圖3中，光源可以是在UV和可見光都有很高光譜功率的Xenon/氙燈，或者是光 譜穩(wěn)定的Hg/汞燈；
[0058] 在圖3中，帶通濾光片的作用是定標系統(tǒng)在電池片上獲得一個帶寬為5nm至50nm 之間的均勻單色光。
[0059] 如圖3所示的單色光譜定標系統(tǒng)能夠產(chǎn)生比上述的連續(xù)光譜測量系統(tǒng)光功率更 強，更均勻的單色光。通過更換不同的帶通濾光片，可以精確地定標電池片在特定光譜的響 應。通過這些特定光譜的響應值，可以進一步修正由之前從連續(xù)光譜測量系統(tǒng)獲得的電池 片光譜響應。
[0060] 如圖1所示，本實用新型實施例提供了一種參考太陽能電池片的標定方法，其包 括以下步驟：
[0061] (1)測出待標定電池片整個照射面上的完整光譜功率，然后根據(jù)所述完整光譜功 率得到待標定的電池片的完整光譜響應；
[0062] (2)測出該待標定電池片在一特定中心波長光譜的光譜功率，然后根據(jù)所述特定 光譜功率得到該待標定的電池片在該光譜的光譜響應；
[0063] (3)將該中心波長代入步驟（1)中得到該待標定電池片在該特定中心波長光譜下 的光譜響應；
[0064] ⑷比較電池片通過步驟⑵與步驟⑶得到的在這特定光譜下的光譜響應，求得 一個修正系數(shù)；
[0065] (5)提供多個中心波長各不同的特定光譜，多次重復步驟⑵至⑷，得到多個修 正系數(shù)，求得平均修正系數(shù)；
[0066] (6)根據(jù)待標定的電池片的完整光譜響應與平均修正系數(shù)，得到所述待標定電池 片在標準光譜下的短路電流。
[0067]在圖2所示的裝置中，測量電池片的全面完整的光譜響應，其流程為：
[0068] 1·把圖4所示的一級參考電池片置于圖2所示的電池片位置，依據(jù)圖5所示的測 量點的分布，測量4x4 = 16個位置點上的短路電流，lsc_st(A i)，i = 1?16 ; λ = 300nm 至 1200nm ;
[0069] 2.計算出照射在面積156x156上的光譜功率：Pin ( λ i) = Al/AO X Σ (Isc_ st ( λ i) /SRo ( λ i))，i = 1 ?16 ; λ = 300nm 至 1200nm ;
[0070]其中：AO是一級參考電池片的實際有效面積，單位用麵2,可以從標定證書上查到 數(shù)值。SRoUi)是一級參考電池片的光譜響應；
[0071] A1 = 156x156/16 = 1521 ；
[0072] 3·也可以米用圖6所不的5x5 = 25個測量點的分布，計算照射面積156x156上 的光譜功率：Pin ( λ ) = Al/AO X Σ (ISC-st ( λ i) /SRo ( λ i))，i = 1 ?25 ; λ = 300nm 至 1200nm ;A1 = 156x156/25 = 973. 44 ;
[0073] 4·測量點不限于之前的二種分布，可以是6x6 = 36,或者7x7 = 49,甚至8x8 = 64,這只是需要改變i和A1的值；
[0074] 5·把圖7所示的需要標定的電池片置于上述已經(jīng)標定了入射功率的相同面積上。 測量出它的短路電流：Isc_dut ( λ )，λ = 300nm至1200nm ;
[0075] 6·計算該電池片的光譜響應：SR_dut〇) = Isc_dut(A)/Pin(A)，λ = 3〇〇nm 至 1200nm ;
[0076] 在圖3的裝置上，精確地定標電池片在以下特定光譜的響應：
[0077] λ = 400nm，610nm 和 810nm ;其流程是：
[0078] 1·把圖4所示的一級參考電池片置于圖3所示的電池片位置，依據(jù)圖5所示的 測量點的分布，測量4x4 = 16個位置點上的短路電流，Isc_stU i)，i = 1?16 ; λ i = 400nm ；
[0079] 2·計算出照射在面積156x156上的光譜功率：Pin ( λ i) = A1/A0X Σ (Isc_ st ( λ i) /SRo (Ai))，i = l ?16;λ? = 4〇〇nrn ;
[0080] 其中：A0是一級參考電池片的實際有效面積，單位用mm2,可以從標定證書上查到 數(shù)值。SRo(Ai)是一級參考電池片的光譜響應；
[0081] A1 = 156x156/16 = 1521 ； _________JA
[0082] 3·也可以采用圖6所示的5x5二25個測量點的分布，計算照射面積156χ156上的 光譜功率：Pin ( λ ) = Α1/Α0 X Σ (ISC-st ( λ i) /SRo ( λ i))，i = i ?25 ; λ i = 4〇〇nm ;A1 =156x156/25 = 973. 44 ； '
[0083] 4·測量點不限于之前的二種分布，可以是6x6 = 36,或者7x7 = 49,甚至是：8χ8 =64,這只是改變i和Α1的值； > ' ?
[0084] 5.把圖7所示的需要標定的電池片置于上述已經(jīng)標定了入射功率的相同面積上。 測量出它的短路電流：Isc_dut(X i)，λ i = 400nm ;
[0085] 6.計算該電池片的在入射光波長400nm時的響應：SR2_dut (400nm) = Isc_ dut ( λ )/Pin ( λ ), λ = 400nm ；
[0086] 7·從步驟1得到的全面連續(xù)的光譜響應曲線SR_dut ( λ )中找出它在400nm的響 應：SRl_dut(400nm)，計算修正系數(shù)：K1 = SR2_dut(400nm)/SRl_dut(400nm)
[0087] 8·重復第二步的以上流程，得到該電池片在波長610nm和810nm的修正系數(shù)
[0088] K2 = SR2_dut(610nm)/SRl_dut(610nm)
[0089] K3 = SR2-dut (81 Onm) /SR 1-dut (81 Onm)
[0090] 9.計算平均修正系數(shù)：K = (Kl+K2+K3)/3
[0091] 10.所采用的特定帶通中心波長不限制于以上3種，可以是從300nm至1200nm的 任何波長；也不限制3點，可以1，2或者4,5,6點。
[0092] 11.采用的波長帶寬也不限制10咖，可以是2nm至50nm的任何寬度；
[0093] 12.計算該電池片在AML 5G標準光譜下的短路電流：
[0094]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)，其特征在于，所述全面 光譜響應測量系統(tǒng)包括光源、斬波器、單色儀、聚光鏡、勻光器、光學鏡、偏置光源、電池片、 溫控測試臺、電流放大器、鎖相放大器，所述光源發(fā)出連續(xù)光譜的光，依次經(jīng)所述斬波器、單 色儀、聚光鏡、勻光器、以及光學鏡照在所述電池片上，所述偏置光源發(fā)出偏置光照在所述 電池片上，所述電池片置于所述溫控測試臺上，所述電池片依次與所述電流放大器、鎖相放 大器連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)，其特征 在于，所述光源發(fā)出光的波長范圍為300nm至1200nm。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于標定參考太陽能電池片的全面光譜響應測量系統(tǒng)，其特征 在于，所述溫控臺保證電池片本體的溫度保持在25度的標準測試條件。
4. 一種用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、 斬波器、勻光器、帶通濾光片、反光鏡、光學鏡、偏置光源、電池片溫控測試臺、電流放大器以 及鎖相放大器，所述光源發(fā)出的光經(jīng)所述斬波器、勻光器、帶通濾光片、反光鏡、光學鏡后照 射在所述電池片上，所述電池片設于所述溫控測試臺上，所述電池片依次與所述電流放大 器、鎖相放大器連接。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，其特征 在于，所述光源可以是在紫外光和可見光都有很高光譜功率的Xenon/氙燈，或者是光譜 穩(wěn)定的Hg/萊燈。
6. 如權(quán)利要求4所述的用于標定參考太陽能電池片的單色全面光譜定標系統(tǒng)，其特征 在于，所述光源通過所述帶通濾光片獲得一個帶寬為5nm至50nm之間的均勻單色光。
【文檔編號】H02S50/15GK204068865SQ201320740782
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】王宇昶, 張余 申請人:上海偉信新能源科技有限公司