光子學(xué)技術(shù)：光伏電池的校準(zhǔn)【圖文】

　　光伏電池的基本功能是將外部輸入的光能（由輻照度W/m2表示）轉(zhuǎn)變?yōu)橛猛靖鼮閺V泛的電能，當(dāng)然這過程中會(huì)有一定的損失。為了衡量電池的光電轉(zhuǎn)換能力，我們將輸入和輸出量以比值的形式表示出來，這就是我們通常所說的轉(zhuǎn)換效率（PCE），它是光伏電池最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一。這一參數(shù)的確定需要在極為標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下進(jìn)行，需要控制的參數(shù)包括精確度、輻照度、電池溫度等等。

　　輻照度測(cè)量

　　輻照度一般是通過照度傳感器進(jìn)行測(cè)量，亦可在模擬環(huán)境中使用太陽能參比電池來測(cè)量。參比電池是經(jīng)過美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)和/或國際電工會(huì)員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)電池。校準(zhǔn)服務(wù)可在一些實(shí)驗(yàn)室用進(jìn)行，包括Newport公司的技術(shù)應(yīng)用中心(TAC)光伏實(shí)驗(yàn)室；國家再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)器件性能組；圣地亞光伏系統(tǒng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(PSEL)；夫瑯禾費(fèi)太陽能研究所(ISE)等等。

圖1. Newport/Oriel 2cm x 2cm 太陽能參比電池外觀

　　校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境為室溫25℃、模擬太陽光強(qiáng)度1000 W/m2。Newport的TAC-PV實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過ISO-17025和A2LA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。我們使用太陽光模擬器來模擬日光，光源采用了氙弧燈燈泡。獲得精確校準(zhǔn)所要面臨的挑戰(zhàn)之一是要在各種不同材料和尺寸的光伏材料下采用完全相同的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。

　　典型的太陽能參比電池是一個(gè)尺寸為2cm×2cm，擁有金屬外殼和石英玻璃窗口保護(hù)的小盒(見圖1)。內(nèi)置與數(shù)字萬用表連接端口，并配備了一個(gè)溫度傳感器以測(cè)量實(shí)時(shí)溫度。太陽能參比電池另一個(gè)重要的性能參數(shù)是短路電流。如果一般太陽能電池的短路電流在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下(25℃、1000 W/m2)能達(dá)到一定的精度，那么也可以用作參比電池。因?yàn)樘柲軈⒈入姵厥且环N線性器件，因此能在不同溫度下測(cè)量輻照度，前提是我們要知道其溫度系數(shù)。

　　發(fā)熱問題

　　PV測(cè)試中一個(gè)最大的不確定因素就是環(huán)境溫度的變化，Tcell ，它是指在電池空間電荷區(qū)的溫度。參比電池的外殼，其實(shí)也同時(shí)是一個(gè)散熱器，能快速散發(fā)電池背面的熱量，而這樣就會(huì)使得電池表面的溫度略高于底部幾度。因此內(nèi)置在電池底部的熱電偶所測(cè)得的溫度會(huì)與Tcell的有所不同。不可控的溫差誤差正比于溫度系數(shù)。

圖 2. 開路電壓與溫度的曲線，并呈現(xiàn)出溫度滯后現(xiàn)象

　　我們將電池參數(shù)（如開路電壓）與溫度（電池底部）的關(guān)系用圖線表示出來，可見溫度不同時(shí)圖像差別明顯（如圖2）。根據(jù)開路電壓的最佳估值，圖2中的兩條線可以推測(cè)出25℃下的情況，且兩Voc截距的中點(diǎn)也能計(jì)算出來。為了得到更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，我們將電池穩(wěn)定在室溫，并只用瞬時(shí)的照明(~ 1 sec)。然后即可根據(jù)各自的溫度系數(shù)推斷出25℃下的數(shù)據(jù)。

Figure 3. Newport Oriel Sol3A的照度分布，AAA級(jí)太陽光模擬器, 非均勻度小于2%

　　其他的不確定因素(i.e. "error" )還包括光源與日光光譜的匹配度和電池的光譜響應(yīng)度。這些誤差源是由于光譜失配引起的，用光譜匹配因素M表示出來。光譜的匹配度指的是待測(cè)電池和參比電池的光譜響應(yīng)度的相對(duì)差異，和所用光源與太陽光在光譜分布上的相對(duì)差異，我們希望這種差異越小越好。例如M = 1表示光譜完美匹配，偏離度最多不超過50%。

　　Newport TAC-PV實(shí)驗(yàn)室使用了帶有KG1濾波片的光伏參比電池(用來替代標(biāo)準(zhǔn)石英玻璃)來測(cè)試有機(jī)器件，并將失配度控制在10%。當(dāng)然，M數(shù)本身也有一定的誤差。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Newport Oriel公司開發(fā)了IQE-200，它能精確測(cè)量絕大多數(shù)PV器件的光譜響應(yīng)度。另一種在PV測(cè)量中會(huì)遇到的誤差就是太陽光模擬器發(fā)出光束的空間不均勻性(如圖3)。

　　太陽光模擬器發(fā)出的光一般集中在工作區(qū)域中心（以光軸為中心），即中心的光強(qiáng)比外圍的要強(qiáng)，用圖形表示就會(huì)形成一個(gè)半球面，圖中中心與外圍的高度差就是空間不均勻性的直觀表現(xiàn)。像Newport Oriel Sol3A這樣的AAA級(jí)太陽光模擬器的空間不均勻性最小（小于2%）（如圖4）。空間不均勻誤差的大小正比于待測(cè)電池和參比電池的相對(duì)位置，還有兩塊電池相對(duì)于工作臺(tái)的位置，這些都是影響不均勻性的因素。然而這些因素也都可通過計(jì)算將其影響降到最低。

圖 4. Newport Oriel公司的AAA 級(jí)Sol3A太陽光模擬器

　　與已封裝太陽能參比電池不同的是，一些實(shí)驗(yàn)用電池和原型電池在運(yùn)送到Newport TAC-PV實(shí)驗(yàn)室時(shí)都是散裝的。在許多情況下，它們暴露在空氣、光、熱、濕度中會(huì)發(fā)生降解反應(yīng)。電池原片都擁有精細(xì)的結(jié)構(gòu)，厚度約為0.04cm，能輕易夾在兩片顯微鏡載玻片之間。我們?cè)谧鰷y(cè)試時(shí)的曝光量務(wù)必要足夠短，但至少要比電池的響應(yīng)時(shí)間長。通常沒有直接的方法可以測(cè)量這些器件的溫度。而TAC-PV實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中的小于一秒的曝光時(shí)間所使用的是Newport Oriel Sol3A太陽光模擬器，因?yàn)樗幸粋€(gè)內(nèi)置的快門，開關(guān)時(shí)間為300 ms。這一技術(shù)使得電池能盡可能的免于曝光所致的溫度擾動(dòng)。曝光過程中的Voc變化也可以間接的測(cè)量其偏離平衡狀態(tài)的程度。在不同的偏置電壓下重復(fù)進(jìn)行曝光就能得到該電池的I-V曲線，這樣所有的參數(shù)便都能確定了。

　　Newport的應(yīng)用技術(shù)中心光伏實(shí)驗(yàn)室

　　The Newport在加拿大Irvine的應(yīng)用技術(shù)中心光伏實(shí)驗(yàn)室(TAC-PV)是一個(gè)經(jīng)過美國實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可協(xié)會(huì)(A2LA)和ISO/IEC 17025認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。我們可在美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM) E948標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行太陽能電池特性參數(shù)測(cè)量；ASTM E1021標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行光譜響應(yīng)度測(cè)量。所有測(cè)試也都在標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告條件(SRC)下進(jìn)行，即溫度25?C，輻照度1個(gè)太陽光強(qiáng)度(1000 W/m2 )，光譜條件AM1.5G (IEC 60904-3)。

　　Newport TAC-PV實(shí)驗(yàn)室擁有獨(dú)立的質(zhì)量監(jiān)管技術(shù)，保證了測(cè)試結(jié)果的可靠性和可信性。Newport TAC-PV實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的所有結(jié)果都采用國際單位制(SI)，并且所有的客戶資料都是保密的。

　　Newport TAC-PV實(shí)驗(yàn)室使用的先進(jìn)設(shè)備包括Oriel? Class AAA 8" × 8" Sol3A?太陽光模擬器和Oriel IQE-200測(cè)試系統(tǒng)，利用這些設(shè)備我們可以測(cè)量以下數(shù)據(jù)：

　　? 利用白光偏置測(cè)量絕對(duì)或相對(duì)外量子效率 (300 nm~1100 nm)

　　? 器件的精確總面積測(cè)量

　　? 器件的I-V特性測(cè)量和其他電學(xué)參數(shù)(%效率，填充系數(shù)，Pmax，Isc和Voc)

　　ISO/IEC 17025標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的校準(zhǔn)證書中包括：

　　? 該設(shè)備的總面積

　　? 該設(shè)備的EQE和I-V曲線

　　? 太陽光模擬器的光譜特性

　　? 參考探測(cè)器的光譜響應(yīng)度

　　? 該設(shè)備的電學(xué)參數(shù)

　　? 其他不確定因素

　　除了TAC-PV實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行PV電池校準(zhǔn)的專業(yè)設(shè)備，Newport技術(shù)應(yīng)用中心(TAC)還配備了新型超快速激光器、光譜儀、多光子成像系統(tǒng)等設(shè)備，使我們能進(jìn)行更深層次的科學(xué)研究，包括瞬時(shí)吸收、瞬態(tài)泵浦探測(cè)（pump-probe）、非線性超快光譜、多光子成像等等。這些高效的工具和技術(shù)讓我們能更進(jìn)一步了解光伏電池材料的分子原子的能級(jí)特性，意義非凡。