薄膜光伏組件在不同光譜分布下的測試差異

林榮超 董雙麗 曾嬋娟 李升 戴穗

（廣東產品質量監督檢驗研究院 廣東省佛山市 528300）

近年來，盡管薄膜光伏組件市場占有率下降，但圍繞鈣鈦礦（Perovskite）薄膜技術的研究卻掀起了一股熱潮，德國海姆霍茲柏林材料所(HZB)開發的鈣鈦礦-硅疊層電池更是達到了29.15%的轉換效率[1]?，F階段鈣鈦礦電池仍處于研發階段，量產的薄膜光伏組件以非晶硅（α-Si）、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）三種為主。與晶體硅光伏組件相比，薄膜光伏組件在光譜響應方面往往具有顯著差異，同時由于材料和工藝的不同，不同技術路線薄膜組件之間的光譜響應差異較明顯，這給實驗室測試帶來了較大困難。首先，實驗室配備的參考電池往往難以覆蓋所有種類的薄膜光伏組件；其次，實驗室即使有同類型參考電池但兩者間的光譜響應仍可能存在不小差異。因此，為了準確測試薄膜組件的電流-電壓（I-V）特性，十分有必要在測試前進行光譜失配修正。

本文通過測試α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種具有代表性的薄膜光伏組件的光譜響應曲線，以單晶硅WPVS電池作為參考電池的光譜響應，計算它們在兩種太陽模擬器不同光譜分布下的光譜失配情況。從光譜失配角度，對這四種薄膜光伏組件測試結果之間的差異進行分析。

1 光譜失配因子的計算方法

在光伏組件I-V測試中，太陽模擬器常用的光源是氙燈，部分太陽模擬器也會采用金屬鹵素燈、LED燈等。太陽模擬器與AM1.5標準光譜[2]的匹配程度一般分為A/B/C三個等級，光譜匹配度越高則表明其光譜分布越接近標準光譜，測試結果的光譜失配越小。太陽模擬器與標準光譜的光譜分布差異，以及待測樣品與參考電池間的光譜響應差異，兩者共同構成了光譜失配。IEC60904-7標準[3]規定，使用光譜失配因子（SMM）表示光譜失配大小，計算公式如式（1）所示：

Eref(λ)為標準光譜分布；

Emeas(λ)為自然光/太陽模擬器實測光譜分布；

Sref(λ)為參考電池的光譜響應；

SDUT(λ)為待測樣品的光譜響應。

對待測樣品而言，光譜失配因子并非用于修正I-V測試結果，而是用于修正太陽模擬器的輻照度基準，此時輻照度相當于與標準光譜一致。光譜失配因子SMM的倒數1/SMM，代表了輻照度基準需要修正的比例。若SMM>1，表示輻照度需要下調; 若SMM<1，表示輻照度需要上調；若SMM=1，則表示輻照度與標準光譜一致，不存在光譜失配。

使用公式（1）計算時，實驗室需提前獲得標準光譜和模擬器的光譜分布，以及參考電池和待測樣品的光譜響應數據。其中，標準光譜分布可視為常數，其數值由標準IEC 60904-3[2]定義，模擬器的光譜分布、參考電池和待測樣品的光譜響應則需要通過測試獲得。一般而言，太陽模擬器的光譜分布、參考電池的光譜響應可由計量報告中獲得，待測樣品的光譜響應則需要使用光譜響應測試儀或量子效率測試系統測量得到。

2 測試結果與分析

為了比較不同光譜下薄膜光伏組件的光譜失配差異，實驗選擇了兩臺光譜分布差異較大的太陽模擬器，它們的光源各不相同，一臺是光譜匹配度A級的氙燈太陽模擬器，另一臺是B級的金屬鹵素燈太陽模擬器，它們在1000W/m2輻照度下的光譜分布與AM1.5光譜的對比圖如圖1、圖2所示。

因A級模擬器的光譜匹配度較高，從圖1可見其光譜300~1200nm范圍內與AM1.5標準光譜十分接近，僅在800nm波段附近波動較大。而B級模擬器光譜匹配度相對較差，因此光譜范圍內各個波段與標準光譜的差異較為顯著。從光譜分布差異可初步推斷，同一種薄膜組件在A級光譜下的失配將小于在B級光譜下，下面通過實驗與計算來證明這一推斷。

實驗以單晶硅WPVS電池作為參考電池，選擇α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種薄膜光伏組件并在300~1200nm范圍內對它們進行了光譜響應測試，光譜響應曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，四種薄膜組件之間的光譜響應差異較大，CIGS與單晶硅光譜響應十分相似，響應波段覆蓋了300~1200nm，其它三種薄膜組件的響應波段均在900nm以內。這四種薄膜組件在不同光譜分布下，它們之間光譜響應的差異如何體現到I-V測試結果的偏差上，則需要計算光譜失配因子來進行分析。綜合以上數據，我們分別計算了它們在不同模擬器光譜下的光譜失配因子，結果如表1所示。

根據表1的結果可以做以下幾點分析：

（1）四種薄膜組件在A級光譜下的光譜失配均小于B級光譜，B級模擬器平均失配偏差7.0%而A級模擬器平均2.1%；模擬器光譜匹配度相差一個等級，光譜失配帶來的測試結果偏差相差約三倍，實驗室應盡量選擇等級高的模擬器以減小光譜失配。

（2）所有樣品中以CIGS的光譜失配偏差最小，在A級模擬器下測試的光譜失配偏差僅0.2%，皆因其光譜響應與單晶硅接近，所以實驗室應盡量選擇與待測樣品光譜響應一致的參考電池以減小光譜失配。

（3）α-Si、CdTe和Perovskite組件均存在顯著的光譜失配，這是由它們與單晶硅光譜響應差異較大導致，以α-Si組件為例，在A級模擬器下的最大偏差為3.8%，B級模擬器為12.4%；若不進行光譜失配修正，假若組件最大功率200瓦，則意味著僅光譜失配帶來的測試偏差就高達25瓦；若缺少光譜響應一致的參考電池，計算并進行光譜失配修正非常有必要。

表1：薄膜光伏組件在不同模擬器光譜下的光譜失配因子

（4）就測試結果而言，同種薄膜組件在不同模擬器下測試，并不代表其測試偏差會同時偏高或同時偏低。恰恰相反，表1結果顯示這四種薄膜組件在A級模擬器下功率測試偏高的，在B級模擬器則功率偏低，反之亦然；因此，若缺少光譜失配因子計算，組件測試結果偏高還是偏低根本無法評估。

圖1：A級模擬器光譜與AM1.5標準光譜分布對比

圖2：B級模擬器光譜與AM1.5標準光譜分布對比

圖3：α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite薄膜組件與WPVS單晶硅電池光譜響應曲線

3 結論

以α-Si、CdTe、CIGS和Perovskite四種薄膜光伏組件為例的實驗與計算表明，在薄膜光伏組件的I-V測試中，不同光譜分布太陽模擬器下的光譜失配較為顯著，為減小測試誤差，計算并進行光譜失配修正非常有必要。以α-Si組件為例，在A級、B級模擬器下的光譜失配偏差分別為3.8%、12.4%，若不進行光譜失配修正會帶來巨大的測試誤差。從減小光譜失配的角度，建議實驗室首先應選擇與AM1.5光譜匹配度高的模擬器；其次，盡量選擇與待測樣品光譜響應一致的參考電池；此外，若缺少參考電池或者缺少待測樣品光譜響應數據，可考慮使用同類型組件的光譜響應經驗值來評估其光譜失配偏差，否則對于不同光譜分布的太陽模擬器，組件測試結果偏高還是偏低根本無法評估。