天津電源研究所（信息產(chǎn)業(yè)部電子205計(jì)量站）

王玉學(xué)  童析然  張世杰

   一、太陽電池測試原理

   太陽電池的測量與太陽輻照度測量密切相關(guān)。地面上的太陽輻照每時(shí)每刻都在變化，這一變化不僅體現(xiàn)在總輻照度上，而且其內(nèi)在的光譜輻照度細(xì)節(jié)也在不斷的變化，這給最初的太陽電池測量帶來了極大的困難。由于太陽電池是光譜選擇性元件，其光電靈敏度隨太陽光譜分布變化而變化，在總輻照度相同而光譜輻照度不同的光源下，太陽電池的電性能輸出會(huì)有很大的不同。為了實(shí)現(xiàn)太陽電池測量量值的統(tǒng)一，國際電工委員會(huì)首先對標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照度進(jìn)行了規(guī)定。所有地面用太陽電池的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)條件是采用AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜分布，本光譜分布數(shù)據(jù)來源于特定氣象條件、大氣吸收條件下的太陽光譜分布實(shí)測值。太陽電池測量除了要溯源到國家光輻照度基準(zhǔn)外，還必須以本數(shù)據(jù)表作為測量的標(biāo)準(zhǔn)條件。

   太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)是太陽電池的光譜響應(yīng)，短路電流和開路電壓以及太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。作為太陽電池計(jì)量項(xiàng)目，通常進(jìn)行如下兩方面內(nèi)容的測試工作―標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜條件下的短路電流標(biāo)定和在太陽模擬器下測量太陽電池的伏-安特性測量，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜條件下太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。由于無法得到與標(biāo)準(zhǔn)AM1.5太陽光譜分布相一致的人工模擬光源，因此無法直接測量出太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照條件下的短路電流。各太陽電池測量實(shí)驗(yàn)室通常采用非常復(fù)雜的方法實(shí)現(xiàn)太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5太陽光譜下的短路電流測量并溯源到國際光輻照度量值基準(zhǔn)，這一過程就是所謂的太陽電池標(biāo)定。太陽電池的I-V特性測量方法是，首先采用與被測太陽電池光譜響應(yīng)相似的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池來設(shè)定太陽模擬器的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輻照度，然后在太陽模擬器下測量被測太陽電池的I-V特性曲線，由于被測太陽電池與標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)相似，因此這種替代測量方法可以克服掉由于太陽模擬器的光譜分布于標(biāo)準(zhǔn)AM1.5太陽光譜分布不匹配造成的光譜失配誤差。

   二、中國太陽電池測試技術(shù)發(fā)展

   上世紀(jì)七十年代，天津電源研究所在太陽電池研究開發(fā)應(yīng)用的同時(shí)，投入了相當(dāng)大的人力和物力，建立了太陽電池測量實(shí)驗(yàn)室，開始了太陽電池的標(biāo)定與測試技術(shù)的研究工作。主要的測試設(shè)備包括國產(chǎn)和進(jìn)口的A級(jí)太陽模擬器，用于電性能測量并開發(fā)了基于鎖相放大技術(shù)的太陽電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)。最初目標(biāo)是建立準(zhǔn)確的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池作為全行業(yè)太陽電池的計(jì)量基準(zhǔn)。在此期間，各種太陽電池標(biāo)定技術(shù)得到了充分開發(fā)，主要包括高山標(biāo)定，地面光譜標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光譜標(biāo)定，飛機(jī)標(biāo)定，航天飛機(jī)標(biāo)定等多項(xiàng)標(biāo)定技術(shù)都得到了開發(fā)和嘗試，最終形成了天津電源研究所的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池體系，天津電源研究所的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在中國大陸得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

   八十年代初期，中國的太陽電池測試技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。作為一個(gè)新興的行業(yè)，必須開展產(chǎn)品、計(jì)量方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作，于是組織了全行業(yè)的太陽電池測試專家成立了全國光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，專門負(fù)責(zé)太陽電池測量、測試和產(chǎn)品質(zhì)量方面的標(biāo)準(zhǔn)起草和制定工作。最初的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)太陽電池產(chǎn)品的全行業(yè)量值統(tǒng)一，先后制定了“太陽電池標(biāo)定方法”，“單晶硅太陽電池總規(guī)范”，“空間用太陽電池溫度系數(shù)測量方法”，“單晶硅太陽電池總規(guī)范”，“地面用太陽電池組件的環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法”，“地面用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池”，“空間用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池”，“光譜標(biāo)準(zhǔn)太陽電池”和“太陽模擬器總規(guī)范”等幾十項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)起到了統(tǒng)一量值，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提高的作用。

   三、中國太陽電池測試技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平

   九十年代初期，國家投入專項(xiàng)技術(shù)改造資金，改造天津電源研究所的太陽電池測試實(shí)驗(yàn)室，建立了一套一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池計(jì)量裝置。主要包括實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定系統(tǒng)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池量值傳遞系統(tǒng)，大大的提高了該實(shí)驗(yàn)室的太陽電池測試水平和能力。在此基礎(chǔ)上成立了信息產(chǎn)業(yè)部電子205計(jì)量站，專門從事太陽電池的檢測計(jì)量工作，為中國太陽電池行業(yè)提供準(zhǔn)確的檢測計(jì)量測試服務(wù)。

   太陽電池的量值統(tǒng)一在全世界也是一個(gè)待解的難題。為此國際先進(jìn)太陽電池測試實(shí)驗(yàn)室試圖通過國際比對來實(shí)現(xiàn)全世界的太陽電池量值統(tǒng)一。最著名和最成功的一次國際比對是PEP`93國際標(biāo)準(zhǔn)太陽電池比對，這是美國能源部的項(xiàng)目。由美國可再生能源試驗(yàn)室牽頭，全世界有十個(gè)國家的十三個(gè)著名太陽電池測試實(shí)驗(yàn)室參加。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供兩個(gè)沒有標(biāo)定數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)樣，全部23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池通過各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的背靠背標(biāo)定后形成國際太陽電池基準(zhǔn)WPVS(world photovoltaic scale)。天津電源研究所（信息產(chǎn)業(yè)部205計(jì)量站）參加了本次標(biāo)準(zhǔn)太陽電池國際比對活動(dòng)。通過篩選，最終只有四個(gè)與平均值接近的實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)被用作WPVS的量值，這四個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別是NREL（美國）、JQA（日本）、PTB（德國）和天津電源研究所。這四家