【國際標準】IEC 60904-8光伏器件光譜響應度測量規範(上)

光伏器件---第8部:光伏器件光譜響應度測量   (上)
Photovoltaic devices---Part 8: Measurement of spectral responsivity of a photovoltaic (PV) device

光譜響應(Spectral Responsivity, SR)是評價光電偵測器件(如太陽能電池、光度計、光探測器等等)光電轉換能力的重點指標。不同的光電偵測器件在不同的光譜範圍內的光譜響應度亦不同,引因此,透過測量分析光電材料的光譜響應度,可進一步獲得材料的各種特性。
本文介紹IEC 60904-8標準,針對光伏器件光譜響應度測量進行規範和程序說明。由於光譜響應度反映了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率(photovoltaic conversion efficiency),而光伏器件轉換效率的好壞,會因本身材料、製程、結構等因素影響,因此,可透過光譜響應度測量來進行檢測分析電池在不同條件下,轉換效率的變化,以分析製程的優劣,找出相關提高效率的關鍵因素。IEC 60904-8光伏器件光譜響應度測量規範,以確保產業界能遵循此規範,確保量測的準確度。

一、適用範圍
光譜響應(Spectral Responsivity, SR)是評價光電偵測器件(如太陽能電池、光度計、光探測器等等)光電轉換能力的重點指標。不同的光電偵測器件在不同的光譜範圍內的光譜響應度亦不同,引因此,透過測量分析光電材料的光譜響應度,可進一步獲得材料的各種特性。
本文介紹IEC 60904-8標準,針對光伏器件光譜響應度測量進行規範和程序說明。由於光譜響應度反映了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率(photovoltaic conversion efficiency),而光伏器件轉換效率的好壞,會因本身材料、製程、結構等因素影響,因此,可透過光譜響應度測量來進行檢測分析電池在不同條件下,轉換效率的變化,以分析製程的優劣,找出相關提高效率的關鍵因素。IEC 60904-8光伏器件光譜響應度測量規範,以確保產業界能遵循此規範,確保量測的準確度。

二、 引用標準
以下標準之全部或部分內容為本標準所引用。有標註日期的參考文件,僅引用的版本適用;未標註的參考文件,以最新版本(包括補充增修)適用本標準。
IEC 60904-3光伏器件 第3部分—地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据
IEC 60904-7光伏器件 第7部分—光伏器件测量过程中引起的光谱失配误差的计算
IEC 60904-9光伏器件 第9部分—太陽光模擬器之性能要求
IEC 61215 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型
IEC 61646地面用薄膜型光伏组件设计鉴定和定型
IEC 61836 太陽光伏能源系統術語、定義和符號

三、光伏器件需備註清楚易讀標示
光伏器件必須具有清楚易讀的標示。標示應與下列項目交戶參照:
- 製造者之名稱、識別標誌或符號
- 光伏器件的基礎材料和類型
- 型號或識別碼(若適用)
- 序號(若適用)
若待測的光伏器件為新設計之原型且非來自產線,應於測試報告中備註(請參考第10節)

四、光伏器件的測量
4.1 概述
光伏器件應依照第7節至第9節其中所述的光譜響應測量程序。

4.2 特殊考量:光伏器件穩定性的初步評估
初步評估:在測量光伏器件的光譜響應之前,待測器件必須是穩定的狀態,可藉由適當的光曝露測試程序(light soaking test)使待測器件穩定(如有必要),如IEC 61215或IEC 61646規範所述。不同太陽光電技術亦需要不同的光伏器件穩定度評估程序。

4.3 在白偏置光下的測量
在第7節和第9節規範中要求,在光譜響應度測量期間,應在待測器件上照射白偏置光。在偏置光條件下,應進行差分光譜響應度(the differential spectral responsivity)測量,而非光譜響應度。
標準測試條件(請參照第5節)中,藉由能使裝置產生5 %至110 %短路電流範圍之偏光水平,進行一連串的光譜差分光譜響應之測量,將非線性度納入考量,可根據差分光譜響應度進而獲得光譜響應度。
大部分晶硅太陽能電池在產生30 %至40 %短路電流之偏光水平下,其微光譜響應度和光譜響應度相同;因此,若無法決定晶硅光伏器件之非線性度時,可透過偏置光位準進行測量。若在可確定的情況下,則可忽略,亦即,差分光譜響應在所關注的幅照度範圍內為恆定,則可使用特定光水平下的差分光譜響應度。請詳見第5節。

4.4 在待測器件上施加偏壓
一般而言,光伏器件的光譜響應是在短路條件下(零偏壓)測量,並用於電池分析及計算光譜不匹配因素等應用。
為了在特定電壓下測量樣品的光譜響應,則可能需要施加偏壓。器件的偏壓應由外部電壓源(external voltage source)來控制,如有施壓偏壓,應於報告中加以說明。

五、光譜響應度測量之概述
透過窄帶寬光源(narrow-bandwidth light source) ,在其涵蓋光譜響應範圍的不同波長下,照射光伏器件以測量光譜響應度,並測量每一波長下器件的短路電流及單色輻照度(公式1),或短路電流及單色光束功率(公式2)。
第一類型的測量結果為光譜輻照響應,單位為A/Wm-2。為了確定IEC 61386規範中所定義的光譜響應度,需除以待測器件的面積;第二類型則可直接得到光譜響應度,單位為A/W。
為了確定待測器件的輸出電流,偏置光和單色光應均勻地照射在整個器件上。有效地照射在整個面積是相當重要的,未直接照射在作用區的光源,亦可能會對量測訊號產生影響。若依據IEC 60904-7規範,透過光譜響應度計算光譜失配校正,則測量光譜響應時的照射面積與測量電流-電壓特性的面積一致,此面積通常為整個器件的面積。若不是,則應利用遮光掩模板界定範圍。
若器件的面積大於照射光束尺寸,則應將光束適當地掃描整個器件面積以提供均勻的照射。若兩種光束需進行掃描時,應與偏置光同步掃描,偏置光照射的區域必定會大於單色光。器件的溫度也需要控制。待測器件每個波長之電流密度,除以對應之照射度即可獲得光譜響應度。

s(λ) = Isc (λ)/E(λ)/A ……………………(1)
式中:
s(λ):為波長λ時,待測器件的光譜響應度。
Isc(λ):為波長λ時,待測器件的短路電流。
E(λ):為波長λ時,光源之輻照度。
A:為待測器件的面積。
應在測試報告中標註待測器件的面積。

或者,可測量短路電流Isc(λ)及照射到器件的的照射功率P(λ)。光譜響應度計算如下:
s(λ) = Isc(λ)/P(λ) ……………………(2)
式中:
Isc(λ):為波長λ時,待測器件的短路電流。
P(λ):為波長λ時,照射到器件的照射功率。
計算P(λ)時,需測量待測器件的面積,且應標註在測試報告中。

實務上(請參照第7節和第9節),來自單色光的小型調變訊號,會疊加到源自白偏置光的所產生較大的信號上,在此情況下,應將評估量視為差分。與差分光譜響應度DSR) s ̃(λ,E) 相關的波長(a wavelength dependent differential spectral responsivity (DSR) s ̃(λ,E),用來測定特定偏置光輻照度E。在標準測試條件(STC)下的光譜響應度s(λ) |STC  ,只有當器件為完全線性時才會等於差分光譜響應度。若確定非線性度可忽略,則可使用在特定偏置光位準下的差分光譜響應度。舉例說明,若在偏置光位準內產生的Isc在標準測試條件5%至110%範圍內,差分光譜響應度或所獲得的光譜不匹配因數為常數,則可使用在偏置光位準為100%標準測試條件下的差分光譜響應度。在其他情況下,應在有足夠的偏置光輻照度下,測量差分光譜響應度,即可計算所獲得的光譜響應度,或可使用s ̃(λ,E0 )≈s(λ)  |STC  . 找到特定偏置光輻照度E0

六、設備

6.1 概述
光譜響應測量系統包含連續(斬斷或未斬斷)或脈衝式單色光源;可選用具偵測器之光束分光組件、載台、基準校正裝置、選用的偏置光組件和電子儀器。圖1和圖2為測量太陽能電池差分光譜響應的配置範例。
備註:若使用光斬波器(optical chopper)(圖1和圖2),應注意不要讓光斬波器反射的偏置光入射到測試平面。
圖一:使用連續光源及光柵單色分光儀之差分光譜響應度測量儀器之系統設置示意圖

▲圖1(a) 單色分光儀設置在斬波器之前


▲圖1(b) 單色分光儀設置在斬波器之後


圖二:使用連續光源及帶通濾波器之差分光譜響應度量測儀器之系統設置示意圖


▲圖2(a) 濾波器設置於斬波器之前



▲圖2(b) 濾波器設置於斬波器之後
6.2 單色光源
單色光大多由光源和單色儀(如光柵)或具有帶通濾波的濾光輪產生。若光譜響應量測範圍介於300 nm~1200 nm間的,單色光的帶寬(半峰全寬-FWHM)不應超過20 nm。若範圍超過3000 nm,帶寬不應超過50 nm。
備註:應依據待測器件光譜響應度的精細結構變化而選擇單色光的頻帶寬度。對晶硅電池或薄膜太陽能電池來說,一般選擇10 nm-15 nm的帶寬(FWHM)。
產生單色光的光源及其電源供應器所產生的頻閃波動應低於2 %。根據IEC 60904-9規範中,在測試面中的單色光不均勻度應小於 2 %。當基準裝置與待測器件在面積或形狀上有所差異時,空間不均勻度與結果就有相當大的關連性,在不確定度的測量中,應考量此因素。
在穩定光源的測試條件下,通常會在相同位置且連續地測量基準裝置和待測器件,而只有當兩者尺寸不同時,不均勻度才會影響結果。
在能充分均勻照射大面積的測試條件下,基準裝置和待測器件應並排放置並同時進行測量,以避免頻閃波動的影響。或者,可用分光配置以提供基準裝置和待測器件兩個均勻的測試面。
備註:與IEC 60904-9規範中A級太陽光模擬器定義相同。

6.3 光伏器件載台和溫度控制
光伏器件載台應提供待測器件良好的導電性,並能控制待測器件及基準裝置的溫度。基準裝置和待測器件溫度的測量或控制準確度應在1 °C內、重複性為 0.5 °C。基準裝置及待測器件的溫度均勻度應在2 °C內。若基準裝置的溫度與其校正時的溫度差超過2 °C,校正準值應調整到測量的溫度。
備註:基準裝置校正與量測之間的溫度差,通常會對光子能量接近基準裝置的能帶邊緣(band edge)的量測波段造成最大的影響。

6.4 光伏器件的裝置接點
待測器件應採用4點接線方式(Kelvin contacts,即電流與電壓分開的接點),以便在光譜響應測量期間測量電池電壓;其設計應確保接點不會阻礙待測器件的溫度控制,特別是當所有接點皆在電池背面的情況下。
備註:若待測器件的分路電阻較低時,正確測量電池電壓則相當重要。

6.5 偏置光
對於大部分的PV器件,使用鎢絲燈或燈泡陣列產生恆定的偏置光就足夠了。偏置光應完全照在整個待測器件上;照射在測試面的空間不均勻度(依據IEC 60904-9規範)應小於10%,相當於等級C。另可參照第5節所述的掃描方式。

6.6 直流量測
(a) 電流和電壓的測量準確度應分別為開路電壓或短路電流的0.2 %,且應以獨立引線來測量試體端子的電壓和電流(4條引線),且引線長度愈短愈好。若待測器件為電池裸片,則應從主柵線端進行4線的連接。
備註:應仔細評估電池的連接方法,因其可能會因電阻損耗而改變電池的短路情況。此影響可能會導致光譜響應度的結果不同。

(b) 應在零電壓下測量偏置光產生的短路電流。可使用電流電壓轉換器(轉阻放大器,transimpedance amplifier),或者,可在可變偏壓源上使用一個外部分路電阻器,以補償電壓下降的情況。若待測器件的電壓下降至小於其開路電壓(Voc)的3 %,則可忽略可變偏壓。

備註:對於晶硅太陽能電池而言,通常小於20 mV的偏壓。

6.7 當在偏置光下的交流測量
若除了偏置光外,還使用斬波單色光測量光譜響應度,則應使用鎖相放大器或同等裝置,將交替產生的單色光電流與偏置光所產生的穩態電流分開。如上所述,應選擇電流電壓轉換器或外部分路電阻器,讓待測器件的電壓小於開路電壓的3%。並確保測量設備或放大器不會因為偏置光產生的直流電而達到飽和。應在測試報告中標註斬波頻率。

備註:斬波頻率的選擇,應使其週期時間大於待測器件的時間常數;此外,斬波平率不能和電源頻率或其諧波重疊。
將電池兩端的電壓設置為所需的數值(短路條件為0V或所需電壓)

6.8 基準裝置
單色光的輻照度或功率可透過諸如熱輻射計、校正光電二極體或光伏器件來測量。矽光電二極體可用於300 nm~1100 nm的波長範圍。Ge光電二極體、InGaAs光電二極體或其他具帶隙較低的器件和溫度偵測器,可用在更大的波長範圍。具較大波長範圍光譜響應度的待測器件,測量時須使用2個或多個不同的基準裝置,確保能涵蓋較大的波長範圍。
備註一:溫度探測器較不適用,因它們的時間常數比斬波光的週期時間長。
備註二:若使用2個以上的基準裝置來擴大測量系統的波長範圍時,需避免基準裝置波長範圍重疊所造成的量測錯誤。