MSR全自動元件光譜回應測試系統

型號 : MSR

大光斑光源系統為光焱科技累積多年來技術與經驗所推出產品,不僅符合IEC 60904-8:2014版本之規範要求,更提供高精確度、重複性與便利的人機介面來協助客戶。本系統採用大光班技術(面積可達156 mm ~ 156 mm以上) ,解決傳統小光斑對於商用電池片校準上的問題(如測量代表性、量測時間等)。另一方面,也可擴充至元件測量功能,不僅可以進行標準元件功率標定,另外可協助客戶瞭解元件封裝後之性能表現,如玻璃選用、EVA封裝材料、背板等換料評估與可靠度試驗。且採用新一代的光學設計可輕易變更單色光照射方向,(如由上往下、側向照測或者下往上照射)可全方位滿足研究人員需求。

以下大光斑之應用情形:

 六吋電池片

大光斑光源系統可提供高均勻度之單色光,其面積可滿足市售商業電池片,可真實反應電池片整體光譜回應,建立優於德國Fraunhofer ISE校準實驗室的檢測能力,解決國內電池與元件業者必須將電池片或元件送至國外檢測機構測試所遭遇之問題。

除此之外,大光斑光源系統可將元件或電池片直接溯源至WVPS參考電池,可降低量測不確定度,建立更精確之標準電池片與標準元件。


 大光斑光源系統;單色光(上)光源穩定度(下)



項目 規格
燈源系統 a. 可量測波長範圍:300-1200 nm
b. 150 W Xe氙燈
c. 光強穩定度 < 0.5 %
單光儀 a. 1/8m Czemy-Turner 多光柵單光儀
b. 波長範圍:300 -1200 nm
c. 波長解析度: 0.2 nm (with 1200g/mm grating)
d. 光柵自動切換軟體控制
e. 低雜散光設計 < 10-5
自動濾片轉輪 a. 四個濾片,最多可裝6片
b. 雜散光消除功能
光學系統 a. 高效率積體光學設計
b. 單色光面積≧156 x 156 mm2
c. 單色光均勻度≧95 % ( 156 x 156 mm2)
斬波器 a. 頻率範圍:4-200 Hz (adjustable)
電子系統 a. 雙通道數位鎖相放大器
b. 5A安培直流濾波功能
c. 6吋電池片/組件自動切換功能
d. 10 A直流濾波功能(option)
偏光模組 a. Cell light bias system and module light bias system
參考電池 a. 六吋單晶電池片(附Fraunhofer ISE報告)
b. WPVS 參考電池PTB追溯)
電池用載台 a. 6吋真空導電載台
b. 真空幫浦與配件
c. 四線式量測探針座(to 5 bus bars)
d. TE致冷器設計
e. 載台溫度控制範圍 25±1°C < 10-5
f. 溫度精度: ± 0.5°C < 10-5
溫度控制系統 a. 主動式散熱系統for 6 x 12PV module
b. PT-100 溫度感測器
c. 模組溫度(背版)可控制再25 ± 2°C以內
組件位移控制 a. 雙軸位移平臺
b. 手動移動方式
c. 最大尺寸為2 m x1.5 m (for 6* 12 cells)
IV掃描模組 a. 50 V / 10 A
b. EL/定位用200萬畫數相機
WPVS教准能力擴充 a. WPVS校正用載台
b. WPVS用之低雜訊與直流濾波放大器模組
c. 單色光修正模組
電腦系統 a. With OS, monitor and keyboard
軟體功能 a. 系統控制與自動存檔
b. 自動校準功能(須搭配電控系統)
c. 組件各電池片定位功能(搭配電控載台)
d. 全組件SR自動mapping功能(須搭配電控載台)
e. 全組件EL mapping功能(矽晶)
f. 自動SRQE測量功能(須搭配電控系統
g. AM1.5G/AM1.5D 短路電流密度計算
h. 資料格式轉換txt to spreadsheets
光譜失配因數計算 a. 光譜失配因數計算 (IEC 60904-7)
b. 輸入其他光譜資料進行失配因數計算
c. I-V曲線MMF修正功能
電力系統需求 a. AC 220-240 Vac/ 50 Hz /單相
b. 50 Amps 
安全系統 a. 一個50 A/220 V斷路器

● 波長範圍 300-1200 nm,采一代光學設計,光強穩定度可達1< %,且530 nm光強度可達5 uW/cm2以上。

● 高均勻度(>95 %)全尺寸6吋商用電池片照射面積(156 x 156 mm2),優於ISE之系統(Fraunhofer ISE > 90 % )。

● 采光纖式均光模組,可依需求與改變照光方向(由上往下、由下往上或者水準照射)。



非破壞性元件光譜響應度測試對EL圖像分析的實驗研究

吳恆信、陳震偉、林啟清龔道仁、陳磊傑、李文欣謝秉鑫海岩、廖華賢

|【摘要】

以光伏元件尺寸為基礎所研製的光譜響應度測試設備,利用此設備來測試光伏元件,或者是已經受光衰退或受環境導致老化的組件,由其是光伏元件長時間置於戶外電站工作時會因不同的地點和氣候環境所影響,這是無法用一相同工藝的小元件可以類比的.在不破壞元件結構情況下,進行光譜回應度測試和相關的光學分析.透過電激發光(Electro Luminescence簡記為EL)所拍攝的圖像,再轉換成平均灰度值,此法可以快速的區分良好電池和受損電池的差異,同時也可找出影響此元件效能的限流電池.由元件光譜回應度測試設備驗證其正確性,計算各電池的短路電流值可得短路電流值和EL平均灰度值的關係。測試元件光譜回應度時,元件的電池會應溫度影響而導致偏壓偏移,造成測量上的誤差,而單色光光斑面積,需盡可能覆蓋整個電池片,如此才不會受電池的不均勻性影響,造成測量的高不確定度。

|【引言】

元件性能是光伏發電的核心,不同戶外光譜分佈對元件性能有重大影響.分散式光伏發電的規模化發展將面臨複雜多樣的安裝環境,不同安裝地點的戶外光譜分佈差異很大。但當前元件研發、測試認證、交易中的功率標定等,主要是依據國際標準IEC 61215IEC 61646內所規定的標準測試條件條件下(STC)進行功率的測定。但光伏電站安裝地點很難持續符合STC條件,不同日照、不同地形、不同緯度、不同空氣品質等均會導致安裝地點的實際光譜與AM1.5G產生偏離。

光伏元件為了要能夠固定太陽能電池及連接電路導線提供各電池片的絕緣保護、提供適度的機械強度和有更好的耐熱、耐低溫、抗濕及耐候性,都會加入EVA膜,其中最很重要且必需被考慮的因素,就是EVA長時間老化所造成的黃化現象,以及EVA封裝不良造成電池片受潮和PID效應所造成的衰退等影響[6,7,8]。此些現象會因不同的地理位置及環境,造成不同的黃化結果及失效,而影響組件的光譜特性,相對的元件發電的表現會直接受影響,但一般只能通過功率測試來判斷元件的好壞,而無法進行更深入的分析。

本文將透過元件光譜回應度測試設備,如圖1,來進行非破壞的元件測試,再利用EL影像做為分析比較的工具,可快速有效的找出影響此元件的限流電池;同時使用不同光斑面積大小的單色光進行測試並說明和一般電池片測試的差異性。


圖一:組件光譜響應度測試設備

1.組件光譜響應度測試設備 Module spectral response equipment


|【元件光譜響應度測試方法

 測試規範發展背景

國際電子電機委員會光伏能源標準化技術委員會(IEC/TC82)已於2014年發佈了最新版的IEC 60904-8[9]標準,此標準主要是定義光譜回應度的測試原理、方法和所需的硬體要求。而第三版新增了串聯元件的光譜回應測試方法,解決目前光伏產業光譜回應量測必須額外封裝電池片量測,且無法保存之問題。同時,為了加速光伏產業的大量應用,國際電子電機委員會也發展了元件性能評估標準,IEC 61853[10],其內容主要是針對光伏元件的溫度和輻照度的性能測試、太陽光光譜與入射角對元件的相對影響,並透過演算法來精確估算此元件在特定地點的發電量,也都間接指出組件光譜回應的重要性。

◆ 光伏電池光譜響應度測試方法

目前市售的光譜響應度測試設備(又稱量子效率),都只能針對單一電池結構進行量測,對於非單晶矽材料的電池,需使用外部的偏置光來進行測試,主要是因為單色光所產生的電子會被電池內部的缺陷(defect)補捉住,所以在測試時會加入偏置光.透過偏置光源先使電池處於飽和條件下再進行單色光的測試,測試架構如圖2所示:

圖二:電池光譜響應度測試架構圖

2.電池光譜響應度測試架構圖 The structure of spectral response measurement for solar cell

太陽能電池的工藝有很多種,如單/多晶矽、薄膜、CIGS、CdTe、OPV、DSSC…等,各個材料特性也有些微不同,由其是對光的靈敏度和線性度,所以在測試時需透過偏置光的變化來選擇在其線性區進行測試[11,12]

◆ 光伏元件光譜響應度測試方法

國際電子電機委員會光伏能源標準化技術委員會在2014年發佈了最新版的IEC 60904-83rd,也特別針對串列元件提出了一測試方法.組件的測試架構如圖3所示:

圖三:組件光譜響應度測試架構圖[9]

圖3.組件光譜響應度測試架構圖[9] The structure of spectral response measurement for PV module[9]

元件光譜回應度測試需要的光源有3組,第1組為主要單色截頻光源,第2組為待測電池的白色偏置光源,第3種光源為額外偏置光光源。輔助光源主要的功能是透過元件受光讓待測電池外的電池可以導通,使元件限流的主要電池為目標待測電池.接著加入一逆向偏壓Vb使待測電池訊號可以被有效擷取。

|【實驗系統】

 測試組件樣品

為了確保電池片的完整性和減少接觸串聯電阻的影響,在本次研究中,我們不從組件背板挖開再引線出來,而向光伏業者客制了一組件(樣品1),其電極已分別拉出,組件樣品如下圖4.此樣品主要是用來確定元件測試方法的正確性。

The picture of test module(sample 1)

4.組件照片(樣品1) The picture of test module(sample 1)

同時,為了分析元件長時間在戶外環境曝曬後的失效表現,我們另外選擇了一元件,此元件已經有些微的隱裂現象,再將其放入環境試驗箱長時間測試,使電池片有更明顯的隱裂且功率有明顯衰退的組件(樣品2)。

◆ 測試方法

根據標準IEC 60904-8的測試程式,透過I-V曲線的測試方式,計算出所需要的偏壓,做為串列元件兩端的偏壓.使用樣品1元件,透過事先拉出的電極直接測量該電池的光譜回應度,再和串列元件兩端所測得的光譜回應度做比對,來確認偏壓和實驗資料的正確性。其測試方法如下:

依據IEC 60904-8串聯元件的測試方法,必需先計算施加於串聯元件的偏壓.首先整個元件需在額外偏置光光源下且沒有遮蔽的情況,測量整個元件的I-V曲線,如圖5曲線1所示.經由式(1)修正曲線1得到曲線2

formula 1

其中 n 為此串聯元件電池的數目.接著提供一獨立的白色偏置光源在待測電池上測量元件I-V曲線,如曲線3所示.最後再計算曲線2和曲線3的交叉點,此點所對應的電壓值,即為此串聯元件的偏壓值Vb


圖5.組件光譜響應度偏壓測試 Determine the bias voltage of module spectral response measurement.


●  全組件於額外偏置光光源下I-V曲線
● 計算所得I-V曲線
●  白色偏置光源在待測電池上所測得I-V曲線


在得到Vb後,在曲線3的偏置光條件下,對此串聯元件加入此偏壓值,進行光譜回應度測試。

由於單一電池器件的光譜響應度測試可透過硬體的設計,可直接在有偏置光的環境下進行測試,不會有偏壓的問題,而元件的光譜回應度測試需要加入適當的偏壓才能正確的測量到實際的光譜回應度值。

另一方面,為調查光伏組件長時間置於戶外曝曬後老化情況,本研究將已經過環境試驗箱老化過的元件(樣品2)拿來進行光譜回應量測.同時,利用EL相機拍攝此元件(樣品2)的EL圖像,並選擇此元件的其中一電池串進行光譜回應度測試,再計算其短路電流密度並比較其對應的EL圖像,找出其關聯性。

|【測量結果】

 串聯元件兩端和單一電池比較

如圖6所示,直接從電池端點測量此電池的光譜回應度和由元件兩端並施加 偏壓所測量得到的資料是一致的.但若元件測試時沒有加入偏壓,所測量得到的值是不正確的。

圖6.不同測試端點的元件光譜回應度比較 The comparison of the module spectral response from different electrode terminal.

◆ 不同測試位置的光譜回應度對應EL圖像

透過元件EL測試機,可以很清楚地發現此元件的隱裂現象.本文章中,我們將此組件的電池片分類成6排 (A~F)10列(1~10)做為電池編號,如圖7所示

圖七:(樣品2)元件EL圖像

7.(樣品2)元件EL圖像 The module (sample 2) EL image.

EL圖像目視檢查可以發現在第C排的電池串有較多的隱裂現象,因此我們選擇此排電池串做光譜響應度測試來探討和EL圖像的關係。根據IEC 60904-8,我們先測量整個電池串的I-V曲線,接著在第2組偏置光源下個別測量在C排上每個電池的I-V曲線,計算其偏置電壓,最後測量個別的光譜回應度曲線.如圖8所示:


8.第C排電池的光譜回應度 The spectral responsivity of the C-series cells.

由圖8可以看出電池間都有些許差異,為了可以更有效的分析每個電池的差異,將每個電池的光譜回應度值,計算成對應的短路電流密度.我們透過標準IEC 60904-7[13]所提出的電流密度計算方法來計算此C排電池串裡每個電池的短路電流密度.主要方法是由光源的光譜和電池的光譜回應度內積得來,如式(2):

formula 2

式中,E(λ)——參考光源的光譜輻照度,這裡我們使用的是標準太陽光光譜也就是AM 1.5G光譜;S(λ)——待測電池的光譜回應度;λ1λ2——涵蓋測試電池的光譜波長範圍!此外,為了比較計算得到的短路電流值和EL圖像的關係,我們將此C排的電池EL圖像分割,並設定相同的裁減尺寸,使圖像的解析度是相同的,再透過軟體圖像轉換,將圖像轉換成灰度值,最後計算各個電池片EL圖像的平均灰度值.平均灰度值和短路電流密度比較如表1所示:



C排電池編號 EL圖像平均灰度值 短路電流密度 mA/cm2
C01 95.397 34.24
C02 114.228 34.13
C03 109.741 34.83
C04 117.835 34.45
C05 100.249 34.01
C06 116.722 34.48
C07 120.960 34.69
C08 147.829 34.69
C09 144.946 35.09
C10 134.578 35.17

▲表1.第C排電池的EL圖像平均灰度值和短路電流密度比較 The comparison of gray value from EL image and short circuit density in the C-series cells.


由表1所示,以EL圖像平均灰度值做比較,電池C08有最大的平均灰度值,C01則有最小的平均灰度值.而C10顯示有最大的短路電流密度,C05的短路電流密度為最小。我們將EL圖像平均灰度值和短路電流密度的最大值和最小值位於同一個水準下,兩者顯示C01~C05有較差的表現而在C06~C10有較好的表現,表示兩者的關係是一致的.其中比較有較大差異的電池是C03C08;C08顯示是短路電流密度不如預期,主要原因可能是元件測試時,溫度還未穩定造成的影響,導致偏置電壓Vb未能使待測電池訊號有效的擷取.而C03顯示的是短路電流密度有較高的表現,在C01C10也有類似相同的現象,此主要原因是光斑照射在電池上的位置未能有效的表徵整個電池的表現,因為受過損害的電池,其表面有部份位置的發電效率會受影響,待測電池的位置就會間接影響結果。

 單色光光斑在電池上不同位置的比較

EL的圖像可以很清楚的看到,電池受損的位置,而不同受損的機制所造成的EL圖像也已經有很多相關的報告[14,15,16],且目前IEC也已開始制定相關的標準,本文就不再說明產生的原因為何。我們使用大約20 ㎜ × 20 ㎜小面積的單色光光斑,分別在電池C03的四個位置重新測量光譜回應度,測量的位置說明嵌入在圖9左上方。結果顯示,當測試位置在電池上方時,會有較低的光譜響應度和短路電流密度,而測試位置在電池右下方時有最大的光譜回應度和短路電流密度如圖9所示.所以當測試有損害或老化過的電池時,單色光光斑大小會影響最終的測試結果。


▲圖9.電池C03不同位置的光譜響應度 The spectral responsivity of the Cell C03 at different position.

|【結論】

元件光譜回應技術不僅可以量測整片元件真實之光譜回應,提高元件功率量測精確度,也解決現今產業界必須額外準備封裝好的小元件所面臨的保存問題,以及小元件如何代表真實元件等問題而且本研究中EL影像分析結果與各電池片的光譜回應資料也具有一定的相關性,可以透過EL影像分析找出最有可能的限流電池位置後,再量測該電池片之光譜回應量測,獲得具代表性之元件光譜回應資料,大幅縮短量測時間。最後,由於光伏系統廠家會要求元件廠家的元件在售出時,提出相關的測試認可證書,但戶外現地的氣候的條件是多變的,造成元件失效的因素也是多樣的。

但目前只能透過功率測試來判斷元件失效與否.元件光譜回應設也可以在不破壞元件的情況下,進行元件的測試和分析,瞭解失效的原因.但對於測試時所使用的單色光光斑大小,最好是能夠覆蓋待測電池的大部份面積,若是能夠完全覆蓋整個待測電池,那更能減小測試時的不確定度。

【參考文獻】

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