根據(jù)IEC 60904-4標(biāo)準(zhǔn)的指向,直接日照法(美國 NREL實(shí)驗(yàn)室)、太陽模擬器法(日本AIST實(shí)驗(yàn)室)、微分光譜響應(yīng)法(德國PTB實(shí)驗(yàn)室)是
光伏標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)方式。從它們的特性比較看,直接日照法利用戶外日光光譜,但光強(qiáng)重復(fù)性差,難以實(shí)現(xiàn)一致性的結(jié)果;太陽模擬器法雖容易實(shí)施,但不確定度最大;微分光譜響應(yīng)法是利用已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)探測器來標(biāo)定光源的光強(qiáng),不確定度較小,但主要困難是不易直接測出絕對光譜響應(yīng),且單色光均勻度不易達(dá)成,這是需要突破的技術(shù)難題。
鑒衡認(rèn)證之所以用微光譜響應(yīng)法校準(zhǔn)光伏參考電池,是因?yàn)榭粗剡@一方法具有較小的不確定度,而且微分光譜響應(yīng)法在理論上可以得到較優(yōu)的精確度,也就是說在降低不確定度上還有潛力可挖,可通過深入的技術(shù)研發(fā)找到有效的改善方式。
光伏電池校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室于2012年5月建立后與美國NREL、日本AIST等地知名科研機(jī)構(gòu)深度合作,搭建由二級標(biāo)準(zhǔn)傳遞至一級參考電池和二級參考電池的溯源鏈,直指當(dāng)前我國光伏溯源鏈比較薄弱的環(huán)節(jié)。
目前有機(jī)構(gòu)可以完成不確定度為0.6%的二級標(biāo)準(zhǔn)傳遞,鑒衡認(rèn)證要實(shí)現(xiàn)低于1%的不確定度,就要對微分光譜響應(yīng)校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行改良,使其不僅能夠在大面積的光斑下進(jìn)行測量,還能直接測量出絕對光譜響應(yīng)。同時,還有應(yīng)具有極佳的重復(fù)性和不確定度值。
從全球文獻(xiàn)記載來看,傳統(tǒng)的微分光譜響應(yīng)法,是先使用標(biāo)準(zhǔn)探測器來校準(zhǔn)單色光光強(qiáng)度,接著在有外加偏置光的環(huán)境下進(jìn)行電池的相對光譜響應(yīng)測量和計(jì)算。另外,還要選擇三個適當(dāng)?shù)牟ㄩL,以汞燈為光源測量該電池的絕對光譜響應(yīng),然后再通過一系列的計(jì)算得到此電池全波長下的絕對光譜響應(yīng)值。
程序繁瑣是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的微分光譜響應(yīng)法所使用的單色光光強(qiáng)不夠強(qiáng),致使對所測得的微小信號和噪聲無法進(jìn)行有效的分析,也就是信噪比(S/N ratio)太低。要直接測量絕對光譜響應(yīng)就必須提高信噪比,做到這一點(diǎn),需要降低噪聲或提高信號來增加信噪比。
噪聲的大小取決于儀器設(shè)備的精密度及環(huán)境的影響程度,但僅為降低噪聲對設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行改善并不是一個好的解決方案。最終的解決方案是,采用戰(zhàn)略合作伙伴——臺灣光焱自行研發(fā)的均光系統(tǒng)專利。其技術(shù)特點(diǎn)在于,它并非使用更高功率的光源燈泡,而是采用高亮度短弧氙燈作為光源,配置高反射率的橢圓集光系統(tǒng),做到了比傳統(tǒng)光源系統(tǒng)提升5至10倍的出光強(qiáng)度。然后,再搭配均光系統(tǒng),使整個光路徑更有效地集中輸出到測試平面,從而提高單色光信號以達(dá)到增加信噪比的目的。
數(shù)據(jù)顯示,鑒衡認(rèn)證光伏電池校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備均光系統(tǒng)輸出的光斑足夠覆蓋20mm x20mm的一級光伏參考電池和156mm x156mm的二級光伏參考電池片,且光斑不均勻度分別為小于2%和2.5%。這成為鑒衡認(rèn)證光伏電池校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)整體不確定度低于1%的關(guān)鍵技術(shù)之一。低于1%的不確定度達(dá)到了國際先進(jìn)水平。鑒衡認(rèn)證光伏電池校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室是目前國內(nèi)惟一一家在光伏電池校準(zhǔn)領(lǐng)域通過CNAS認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室。
鑒衡認(rèn)證光伏電池校準(zhǔn)和測試水平引起了國際關(guān)注。美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)采購鑒衡認(rèn)證的一級光伏參考電池和服務(wù),用于支持鈣鈦礦(Perovskite)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率研究。這所大學(xué)的華裔教授楊陽(Yang Yang)所領(lǐng)軍的研究團(tuán)隊(duì)于2014年在《科學(xué)》期刊發(fā)表最新的研究報告,稱其研發(fā)的鈣鈦礦(Perovskite)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率獲突破性進(jìn)展,效率最高可達(dá)19.3%,為該領(lǐng)域之最。
(作者李文欣為鑒衡認(rèn)證光伏電池校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)負(fù)責(zé)人)