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大面积钙钛矿稳态太阳能模拟器
点击次数:752 更新时间:2023-03-16

太阳能模拟器的基本原理

太阳能模拟器—俗称仿真机,用来完整模拟地球表面或者太空区域中真实太阳光的一种工业化设备,太阳能模拟器需要真实的还原太阳光照射特定区域的表现。为太阳电池及组件生产中重要的性能测试设备。通过模拟太阳光照射到电池片表面。测词太阳电池的电性能参数。

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光强:1000W/m2光谱分布:AM1.5电池温度:25℃

光谱分布

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太阳电池对不同波长的光具有不同的响应,就是说辐照度相同而光谱成分不同的光照射到同一太阳电池上,其效果是不同的,太阳光是各种波长的复合光,它所含的光谱成分组成光谱分布曲线,而且其光谱分布也随地点、时间及其它条件的差异而不同,在大气层外情况很单纯,太阳光谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱,称为AMO光谱。

在地面上,由于太阳光透过大气层后被收掉一部分,这种吸收和大气层的厚度及组成有关,因此是选e性吸收,结果导致非常复杂的光谱分布。而且随着太阳天顶角变化,阳光透射的途径不同吸收情况也不同。所以地面阳光的光谱随时都在变化。因此从测试的角度来考虑,需要规定一个标准的地面太阳光谱分布。

目前国内外的标准都规定,在晴朗的气候条件下,当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时,其光谱为标准地面太阳光谱,简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19°,原因是这种情况在地面上比较有代表性。

辐照度及其均匀性

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对空间应用,规定的标准辐照度为1367w/m2(另一种较早的标准规定为1353w/m2),对地面应用,规定的标准辐照度为1000w/m2。实际上地面阳光和很多复杂因素有关,这一数值仅在特定的时间及理想的气候和地理条件下才能获得。地面上比较。

常见的辐射照度是在600~900w/m2范围内,除了辐照度数值范围以外,太阳辐射的特点之一是其均匀性,这种均匀性保证了同一太阳电池方阵上各点的辐照度相同。

综上所述,标准地面阳光条件具有1000w/m2的辐照度,AM1.5的太阳光谱以及足够好的均匀性和稳定性,这样的标准阳光在室外能找到的机会很少,而太阳电池又必须在这种条件下测量,因此,的办法是用人造光源来模拟太阳光,即所谓太阳模拟器。

温度、日照度变化对太阳能电池影响实际上,太阳能电池的温度是受日照强度影响。为研究日照强度对太阳能电池外部特性的影响,仅改变曰照强度而保持其他条件(如太阳电池温度和大气质量等)不变。短路电流Isc线性地与日照强度成正比,而开路电压3Voc变化很慢,成对数关系。国际上定义标准日照强度条件为1000W/m2,称为峰值照度。

当电池温度发生变化时,由图(2-3)可见,开路电压Voc线性地随电池温度变化,而短路电流Isc轻微变化。这里是指太阳能电池温度的变化,而不是环境温度。环境温度与电池温度的关系依赖与日照强度,见图(2-4)

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太阳能模拟器的分类

1.稳态太阳模拟器

稳态太阳模拟器是在工作时输出辐照度稳定不变的太阳模拟器,它的优点是能提供连续照射的标准太阳光,使测量工作能从容不迫的进行。缺点是为了获得较大的辐照面积,它的光学系统,以及光源的供电系统非常庞大。因此比较适合于制造小面积太阳模拟器。

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2.脉冲式太阳模拟器

脉冲太阳模拟器在工件时并不连续发光,只在很短的时间内(通常是毫秒量级以下)以脉冲形式发光。其优点是瞬间功率可以很大,而平均功率却很小。其缺点是由于测试工作在极短的时间内进行,因此数据采集系统相当复杂,在大面积太阳电池组件测量时,目前一般都采用脉冲式太阳模拟器,用计算机进行数据采集和处理。


 

多头光源阳光模拟器

3.太阳能模拟器的光源

太阳模拟器的光源用来装置太阳模拟器的光源通常有以下几种:卤光、灯冷光、氙灯

卤光灯

简易型太阳模拟器常用卤光灯来装置。但卤光灯的色温值在2300K左右,它的光谱和日光相差很远,红外线含量太多,紫外线含量太少。作为廉价的太阳模拟器避免采用昂贵的滤光设备,通常用3cm厚的水膜来滤除一部分红外线,使它近红外区的光谱适当改善,但却无法补充过少的紫外线.

冷光灯

冷光灯是由卤钨灯和一种介质膜反射镜构成的组合装置。这种反射镜对红外线几乎是透明的,而对其余光线却能起良好的反射作用。因此经反射后红外线大大减弱而其它光线却成倍增加。和卤钨灯相比,冷光灯的光谱有了大辐度的改善,而且避免了非常累赘的水膜滤光装置。因此目前简易型太阳模拟器多数采用冷光灯。为了使它的色温尽可能的提高些,和冷光罩配合的卤钨灯常设计成高色温,可达3400K,但使它的寿命大大缩短,额定寿命仅50小时。因此需经常更换。

 

冷光灯是由卤钨灯和一种介质膜反射镜构成的组合装置。这种反射镜对红外线几乎是透明的,而对其余光线却能起良好的反射作用。因此经反射后红外线大大减弱而其它光线却成倍增加。和卤钨灯相比,冷光灯的光谱有了大辐度的改善,而且避免了非常累赘的水膜滤光装置。因此目前简易型太阳模拟器多数采用冷光灯。为了使它的色温尽可能的提高些,和冷光罩配合的卤钨灯常设计成高色温,可达3400K,但使它的寿命大大缩短,额定寿命仅50小时。因此需经常更换。

大面积阳光模拟器实验房

氙灯

灯的光谱分布从总的情况来看比较接近于日光,但在0.8m 0.1m之可有红外线,比大面光天几倍。因此必须用滤光片滤除,现代的精密太阳模拟器几乎都用灯作电源,主要原因是光谱比较接近日光,只要分别加上不同的滤光片即奇获得AM0或AM1.5等不同的太阳光谱。灯模拟器的缺点从光学方面来考虑是它的光斑很不均约,需要有一套复杂的光学积分装置来使光斑均匀。从电落来考虑是已需要一套复杂而比较庞大的电源及起辉装置。总的来说,灯模拟器的缺点是装宣复杂,价格昂贵,特别是有效辅照面积很难做得很大。

太阳模拟器某些光学特性的检测由上述容易看到,在两种特殊情况下光谱失配误差消失:一种情况是太阳模拟器的光谱和标准太阳光谱一致,另一种情况是被测太阳电池的光谱响应和标准太阳电池的光谱响应一致。这两种特殊情况都难以严格地实现,而二种情况相比之下,后一种情况更难实现,因为待测太阳电池是多种多样的,不可能每一片待测电池都配上和它光谱响应一致的标准太阳电池。光谱响应之所难于控制,一方面出于工艺上的原因,在众多复杂因素的影响下,即使是同工艺、同结构、同材料,甚至是同一批生产出来的太阳电池,并不能保证具有相同的光谱响应,另一方面来自测试的困难光谱响应的测量要比伏安特性麻烦得多,也不易测量正确,不可能在测量伏安特性之前先把每片太阳电池的光谱响应测量一下。因此为了改善光谱匹配,办法是设计光谱分布和标准太阳光谱非常接近的精密型太阳模拟器,从而对太阳电池的光谱响应不必再提出要求。

太阳模拟器测试非晶硅薄膜的注意点

太阳电池,也称为光伏电池,是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件,而测量太阳能电池的效率是通过用辐射强度计测定入射太阳光的功率和测量电池在最大功率点产生的电功率的办法来实现。使用这种方法存在的困难是被测电池的性能在很大程度上取决于太阳光光谱成分,但是光谱成分的精确程度受到季节变化、地区差异和气候条件等各种因素的影响,加上辐射强度计刻度误差,使测量结果难以精确和稳定。在大多生产厂家,使用模拟太阳光的室内模拟器进行太阳能电池效率的测试,室内模拟器的光强和光谱分布是用经标准太阳光定标的标准片来校准的。

目前一些实验室或者测试机构,经常用晶硅太阳电池作为标准件来测试非晶硅薄膜太阳电池,导致严重的测量误差,从而使得很多人对非晶硅薄膜的性能产生质疑。那么,如何正确比较不同材料,工艺的太阳电池的好坏或者适用性呢?在此,大致描述一下太阳模拟器测试非晶硅薄膜的注意点。

为了比较和评价太阳电池,人们制定了国际标准测试条件。实用地面应用的太阳电池的国际标准测试条件为:光谱为AM1.5,辐照度为1000瓦/平方米,测试温度为25摄氏度(AM:Air Mass 大气质量;太阳光在大气层外垂直辐照时为AMO光谱;太阳光在地球表面垂直辐照时为AM1光谱当太阳天顶角48.2度时,为AM1.5光谱)。

采用标定过的参考电池为基准,为了使这个测量方法能够得到准确的结果,必须满足以下两个条件:

一、在特定的范围内,参考电池和被测电池对不同波长的光谱响应必须一致。这个条件通常要求参考电池和被测电池是由同种半导体材料并用相似的生产工艺制成。

二、在特定范围内,用来做比较测试的光源的光谱成分必须接近标准光源的光谱成分。

目前比较常见的脉冲灯光源模拟器,光谱接近太阳光,但是红外部分(800纳米至1100纳米)较标准AM1.5光谱而言非常丰富,失配严重。

非晶硅太阳电池电性能测试方法从原则到具体程序都和单晶硅、多晶硅太阳电池电性能测试相同,但必须注意以下几点区别,否则可能导致严重的测量误差。

第一、       校准辐照度:应选用恰当的、专用于非晶硅太阳电池测试的非晶硅标准太阳电池来校准辐照度。如果采用单晶硅或者多晶硅太阳电池作为标准来校准辐照度,将会得到毫无意义的测试结果。当然,按照光谱失配的理论,如果所选的用的测试光源十分理想,那么,即使用单晶硅标准太阳电池校准辐照度也能获得正确的结果,当然,这个在一般生产或者实验室是很难做到的。

第二、       光源:用于非晶硅太阳电池电性能测试的太阳模拟器的光源应尽可能选用在300纳米到800纳米波长范围内,光谱特性非常接近AM1.5太阳光谱。

第三、       非晶硅的光谱响应波长范围为400纳米到800纳米,而单晶硅光谱响应波长范围为400纳米到1100纳米。由于模拟器用灯光源的光谱在800nm到1100nm的红外区段的光谱比标准的AM1.5的光谱更为丰富。采用单晶硅标准件标定太阳模拟器来测非晶硅太阳电池,在800纳米到1100纳米波段对非晶硅太阳电池电流没有任何贡献,但对单晶硅太阳电池的电流有着非常大的贡献,这就会产生严重的失配,导致非晶硅太阳电池的电流大幅度被压低,引起严重的测量误差。

、光谱响应:太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时,每一光子平均所能收集到的载流子数。由于用不同材料和工艺制造的太阳电池的光谱响应差异很大,同时考虑电池的光谱响应和光源的光谱分布这两个因素就能够得到更好的测量结果;更进一步来说,多结薄膜电池中各结的电流匹配也需要对每结的光谱响应做出精确的测量。非晶硅太阳电池的光谱响应特性与所加偏置光及偏置电压有关,在非标准条件下进行测试和换算时应注意相关条件。

脉冲太阳模拟器在工件时并不连续发光,只在很短的时间内(通常是毫秒量级以下)以脉冲形式发光。其优点是瞬间功率可以很大,而平均功率却很小。其缺点是由于测试工作在极短的时间内进行,因此数据采集系统相当复杂,在大面积太阳电池组件测量时,目前一般都采用脉冲式太阳模拟器,用计算机进行数据采集和处理。

 

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