光子學(xué)技術(shù)：光伏電池的校準【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）轉變?yōu)橛猛靖鼮閺V泛的電能，當然這過(guò)程中會(huì )有一定的損失。為了衡量電池的光電轉換能力，我們將輸入和輸出量以比值的形式表示出來(lái)，這就是我們通常所說(shuō)的轉換效率（PCE），它是光伏電池最為關(guān)鍵的指標之一。這一參數的確定需要在極為標準的環(huán)境下進(jìn)行，需要控制的參數包括精確度、輻照度、電池溫度等等。

　　輻照度測量

　　輻照度一般是通過(guò)照度傳感器進(jìn)行測量，亦可在模擬環(huán)境中使用太陽(yáng)能參比電池來(lái)測量。參比電池是經(jīng)過(guò)美國材料試驗協(xié)會(huì )(ASTM)和/或國際電工會(huì )員會(huì )標準校準過(guò)的標準電池。校準服務(wù)可在一些實(shí)驗室用進(jìn)行，包括Newport公司的技術(shù)應用中心(TAC)光伏實(shí)驗室；國家再生能源實(shí)驗室(NREL)器件性能組；圣地亞光伏系統評估實(shí)驗室(PSEL)；夫瑯禾費太陽(yáng)能研究所(ISE)等等。

圖1. Newport/Oriel 2cm x 2cm 太陽(yáng)能參比電池外觀(guān)

　　校準的標準環(huán)境為室溫25℃、模擬太陽(yáng)光強度1000 W/m2。Newport的TAC-PV實(shí)驗室經(jīng)過(guò)ISO-17025和A2LA標準認證。我們使用太陽(yáng)光模擬器來(lái)模擬日光，光源采用了氙弧燈燈泡。獲得精確校準所要面臨的挑戰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準環(huán)境。

　　典型的太陽(yáng)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的小盒(見(jiàn)圖1)。內置與數字萬(wàn)用表連接端口，并配備了一個(gè)溫度傳感器以測量實(shí)時(shí)溫度。太陽(yáng)能參比電池另一個(gè)重要的性能參數是短路電流。如果一般太陽(yáng)能電池的短路電流在標準環(huán)境下(25℃、1000 W/m2)能達到一定的精度，那么也可以用作參比電池。因為太陽(yáng)能參比電池是一種線(xiàn)性器件，因此能在不同溫度下測量輻照度，前提是我們要知道其溫度系數。

　　發(fā)熱問(wèn)題

　　PV測試中一個(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。因此內置在電池底部的熱電偶所測得的溫度會(huì )與Tcell的有所不同。不可控的溫差誤差正比于溫度系數。

圖 2. 開(kāi)路電壓與溫度的曲線(xiàn)，并呈現出溫度滯后現象

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

Figure 3. Newport Oriel Sol3A的照度分布，AAA級太陽(yáng)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(lái)。光譜的匹配度指的是待測電池和參比電池的光譜響應度的相對差異，和所用光源與太陽(yáng)光在光譜分布上的相對差異，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(guò)50%。

　　Newport TAC-PV實(shí)驗室使用了帶有KG1濾波片的光伏參比電池(用來(lái)替代標準石英玻璃)來(lái)測試有機器件，并將失配度控制在10%。當然，M數本身也有一定的誤差。為了應對這一挑戰，Newport Oriel公司開(kāi)發(fā)了IQE-200，它能精確測量絕大多數PV器件的光譜響應度。另一種在PV測量中會(huì )遇到的誤差就是太陽(yáng)光模擬器發(fā)出光束的空間不均勻性(如圖3)。

　　太陽(yáng)光模擬器發(fā)出的光一般集中在工作區域中心（以光軸為中心），即中心的光強比外圍的要強，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(guān)表現。像Newport Oriel Sol3A這樣的AAA級太陽(yáng)光模擬器的空間不均勻性最?。ㄐ∮?%）（如圖4）?？臻g不均勻誤差的大小正比于待測電池和參比電池的相對位置，還有兩塊電池相對于工作臺的位置，這些都是影響不均勻性的因素。然而這些因素也都可通過(guò)計算將其影響降到最低。

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

　　與已封裝太陽(yáng)能參比電池不同的是，一些實(shí)驗用電池和原型電池在運送到Newport TAC-PV實(shí)驗室時(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。電池原片都擁有精細的結構，厚度約為0.04cm，能輕易夾在兩片顯微鏡載玻片之間。我們在做測試時(shí)的曝光量務(wù)必要足夠短，但至少要比電池的響應時(shí)間長(cháng)。通常沒(méi)有直接的方法可以測量這些器件的溫度。而TAC-PV實(shí)驗室測試中的小于一秒的曝光時(shí)間所使用的是Newport Oriel Sol3A太陽(yáng)光模擬器，因為它有一個(gè)內置的快門(mén)，開(kāi)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(guò)程中的Voc變化也可以間接的測量其偏離平衡狀態(tài)的程度。在不同的偏置電壓下重復進(jìn)行曝光就能得到該電池的I-V曲線(xiàn)，這樣所有的參數便都能確定了。

　　Newport的應用技術(shù)中心光伏實(shí)驗室

　　The Newport在加拿大Irvine的應用技術(shù)中心光伏實(shí)驗室(TAC-PV)是一個(gè)經(jīng)過(guò)美國實(shí)驗室認可協(xié)會(huì )(A2LA)和ISO/IEC 17025認證的標準實(shí)驗室。我們可在美國材料試驗協(xié)會(huì )(ASTM) E948標準下進(jìn)行太陽(yáng)能電池特性參數測量；ASTM E1021標準下進(jìn)行光譜響應度測量。所有測試也都在標準報告條件(SRC)下進(jìn)行，即溫度25?C，輻照度1個(gè)太陽(yáng)光強度(1000 W/m2 )，光譜條件AM1.5G (IEC 60904-3)。

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

　　Newport TAC-PV實(shí)驗室使用的先進(jìn)設備包括Oriel? Class AAA 8" × 8" Sol3A?太陽(yáng)光模擬器和Oriel IQE-200測試系統，利用這些設備我們可以測量以下數據：

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

　　? 器件的精確總面積測量

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

　　ISO/IEC 17025標準認可的校準證書(shū)中包括：

　　? 該設備的總面積

　　? 該設備的EQE和I-V曲線(xiàn)

　　? 太陽(yáng)光模擬器的光譜特性

　　? 參考探測器的光譜響應度

　　? 該設備的電學(xué)參數

　　? 其他不確定因素

　　除了TAC-PV實(shí)驗室中進(jìn)行PV電池校準的專(zhuān)業(yè)設備，Newport技術(shù)應用中心(TAC)還配備了新型超快速激光器、光譜儀、多光子成像系統等設備，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（pump-probe）、非線(xiàn)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特性，意義非凡。