標準太陽電池

標準太陽電池就是在其種類下，其光伏電池的各項參數符合國家規定的各項指標。

標準太陽電池是專門標定過的太陽電池，它通過標準太陽光譜輻照度分布來測量輻照度或設定太陽模擬器輻照度。

太陽電池是利用光生伏特效應將太陽光的能量直接轉換為電能的固態電子器件。

基本介紹

• 中文名：標準太陽電池
• 外文名：stanard solar cell
• 能量轉換：光能直接轉換為電能
• 分類：一級、二級標準太陽電池
• 性能參數：短路電流，開路電壓，轉換效率等
• 套用：人造衛星和空間飛行器等

標準太陽電池的要求

範圍

規定了晶體矽標準太陽電池的分類、選擇、封裝、標誌、標定及維護的要求。

概述

標準太陽電池是專門標定過的太陽電池，它通過標準太陽光譜輻照度分布來測量輻照度或設定太陽模擬器輻照度。

—— 一級標準太陽電池：以與標準世界輻射計基準(W.R.R)相一致的輻射計或標準檢測器為基準標定的標準太陽電池。

—— 二級標準太陽電池：在自然或模擬太陽光下，對照一級標準太陽電池標定的標準太陽電池。

選擇

至少選兩片太陽電池做標準太陽電池的標定用。所選擇的太陽電池的光譜回響應使在其將來的電性能測量中，由於光譜回響的失配引起的誤差小於±1%。光潛失配誤差應按將要出版的有關IEC標準規定的方法計算。

標準太陽電池應為穩定的器件，即它們的光伏特性變化值應不大於其初始標定值的5%。

溫度測量

測量標準太陽電池結溫的方法應使測量準確度達到±1℃。

電氣連線

與標準太陽電池的電連線應由四線接觸方式(Kelvin探針)組成。

標定

每一片標準太陽電池都應經過標定，在25℃±2℃以在標準光譜輻照度分布下每單位輻照度的短路電流值來表示。

數據單

每次標定標準太陽電池時，數據單中應記錄下列內容：

識別號；類型(一級或二級)；電池製造廠；材料類型；封裝類型；標定機構；標定地點和日期；標定方法(參照標準)；輻射計或標準燈的特性；一級標準太陽電池識別號；模擬器特性；溫度感測器的類型；相對光譜回響；短路電流的溫度係數；標準測試條件(S. T. C.)下的標定值；準確度要求。

標誌

每片標準太陽電池都應帶有清晰又不易擦掉的識別號，以便查找相應的數據單。

封裝

自然太陽光下測量

在自然太陽光下測量時，標準太陽電池和被測樣品(電池、電池組合條、組件)對入射輻射的幾何分布的變化應具有相同的回響。

為此，在測量多片電池封裝而又非法線入射的情況下，標準電池應封裝在一個多個電池封裝的單元內，這時，框架、封裝材料與封裝方式、標準電池周圍電池的形狀、尺寸和排布應與被測組件相同。排布在標準太陽電池周圍的，可以是真實的電池，也可以是具有相同光學特性的模擬電池。

太陽模擬器下測量

某些太陽模擬器在被測樣品與模擬器之間存在光的多次反射，測量面的輻照度可能會因被測樣品是否在測量面上而有所變化。

因此，為了準確地測定樣品在測試面上時的輻照度，在這種模擬器下使用的標準太陽電池應與被測樣品的封裝方式相同，以使因多次反射而引起的輻照度變化對標準電池和被測樣品而言是相同的。

在太陽模擬器下測量時，為了能反映由多次反射而引起的任何輕微誤差，標準太陽電池應單獨封裝；或者在不經常使用的情況下，將標準太陽電池不加封裝地安裝在溫度控制塊上。

另外，還要遵守在自然太陽光下測量時對標準太陽電池所規定的要求。

單個電池封裝

在需要使用單個封裝電池時，建議：視角至少為160°。電池視角範圍內封裝表面應具有不反射特性，在電池光譜回響的波長範圍內，吸收至少達到0.95。貼電池所用的材料在電氣性能和光學性能方面不應衰降，其物理特性在規定的使用期間內應保持穩定。建議使用保護視窗，如果標準太陽電池用於標定或在總輻射太陽光下使用，視窗和電池之間的空間應填充穩定而透明的封裝材料。封裝材料的折射率應與視窗材料的折射率相近(在10%以內)，以使在大入射角時，內部反射光引起的誤差減到最低。封裝材料的透明度，完整性和粘著性都不應受紫外光和工作溫度的影響而變壞。

標準太陽電池的標定

標準太陽電池常用於將太陽模擬器的光強設定到標準輻照度條件下，這樣做是為了能在標準電池和被測電池光譜回響近似相等的情況下確定太陽電池的性能。如果太陽電池的標定是在空間進行的，那么這種方法就稱為空間標定;如果在地面使用自然光或室內模擬光進行的，那么這種方法就稱為綜合標定法。由於空間標定或綜合法標定的標準電池非常珍貴，因此，在工業或實驗室的日常性能測試中通常使用所謂的二級工作標準太陽電池來進行校準。

一級標準太陽電池的標定

標定方法和標定實施都應達到高水平，準確度在±n%以內(n：待定)。註：準確度(按ISO標準所採用的)取決於標定所用的方法，然而重複性能夠達到±1%。

二級標準太陽電池的標定

應在自然太陽光或太陽模擬器光源下，以一級標準太陽電池為基準對二級標準太陽電池進行標定。一級和二級標準太陽電池的光譜回響應相互匹配，使得在標定所用的光照下光譜失配誤差小於±1%，失配誤差計算方法按有關IEC標準規定(在考慮中)。

自然太陽光：應在下列條件下完成自然太陽光下太陽電池的標定，晴朗、太陽光充足的天氣，散射輻射不大於總輻射的25%。太陽周圍半角30範圍內無明顯雲層。由一級標準太陽電池測得的總輻照度(直接輻照度、天空輻照度和地面反射輻照度之和)不小於800 。大氣質量在AM1和AM2之間。太陽輻照充分穩定，在一次測量時間內標準太陽電池的短路電流變化小於±0.5%。

太陽模擬器：如用模擬太陽光進行標定，模擬器應為IEC有關標準規定的A級太陽模擬器(在考慮中)。

標定程式：標定之前，測量二級標準太陽電池的相對光譜回響和短路電流溫度係數，採用有關IEC標準規定的程式(在考慮中)。將一級、二級標準太陽電池安裝在同一個平面內並儘量靠在一起，連線電流和溫度測量儀器。如有可能，控制電池溫度在25℃±2℃，若不能控溫，應設法在兩次測量的間隙遮住電池(對脈衝式太陽模擬器不必遮擋)。調整安裝架，使太陽光線或太陽模擬器光束的中心線與電池表面線在±5°之內。同時記錄兩種類型的標準太陽電池的短路電流和溫度。重複上述步驟直到連續得到5組數據，它們的短路電流之比(修正到25 ℃)變化不大於±1%。在自然太陽游標定時，用不少於三天的時間重複上述步驟。由測得的可接受的數據，計算平均比值：25℃時，二級標準太陽電池的短路電流/25℃時，一級標準太陽電池的短路電流。將一級標準太陽電池的標定值乘以計算的平均比值得到二級標準太陽電池的標定值。

航天用標準太陽電池的標定方法

目前，各國太空飛行器上實際套用的都是單晶矽太陽電池，航天用標準太陽電池的樣品也首先選用單晶矽太陽電池。

地面自然陽光下光譜法標定：歐洲空間局獲得AMO標準太陽電池的主要方法是在馬爾他島自然陽光下進行光譜法標定。

高空氣球標定：美國航宇局獲得AMO標準太陽電池的方法，主要是噴氣推進實驗室已經使用了二十多年的高空氣球標定。

衛星和太空梭標定：AMO標準太陽電池的直接標定方法，是在衛星和太空梭上進行的。國外已多次進行衛星標定實驗，但是標準太陽電池不能回收，所以只能用來校驗其他方法標定的結果。衛星標定結果的精度主要取決於遙測系統的精度，目前已達到1.0%以內。太空梭的使用是航天運載工具的重大革新，也為太陽電池標定提供了理想條件。這樣，電池可以直接在AMO陽光下標定，標準片又能收回。太空梭標定結果至今尚未見公布，但據悉，1983年用太空梭發射的歐洲“空間實驗室”中將有太陽電池標定的項目。

航天用標準太陽電池標定的目的

太陽電池在太空飛行器上套用，必須布置在太空飛行器外殼或專用太陽電池翼板上，因此，太陽電池能源系統設計，與太空飛行器的結構、姿控、溫控等分系統有直接關係，而且決定了有效儀器正常工作的壽命。可以說，太陽電池能源系統設計的精確度和可靠性是太空飛行器設計精確度和可靠性的基礎。

設計太陽電池能源系統時，需要掌握太陽電池在地球大氣層外AMO(空氣品質為0)標準陽光條件下的性能參數。將大量太陽電池送到地球大氣層外去測試，顯然是不現實的，因此在太陽電池測試中，必須解決在地面上復現AMO標準陽光條件的間題。由於地球大氣的吸收，到達地球表面上的太陽光的光譜分布和總輻照度是與地球大氣層外大不相同的。然而，太陽電池是對入射光源的光譜分布有選擇性吸收的器件，也就是說，具有光譜回響特性。所以，即使總照度相同，但光譜分布不同的光源照在太阻電池上，也會產生不同的電功率。

在太空飛行器設計中,規定取日一地平均距離處的太陽光譜分布和總輻照度(亦即太陽常數)為AMO標準陽光條件。航天用標準太陽電池應具有AMO標準陽光條件下的性能參數,為獲得標準電池在AMO標準陽光下的參數而作的實驗,就稱為航天用標準太陽電池的標定。航天用標準太陽電池的用途是校準太陽電池的測試光源,通常使用AMO光譜的太陽模擬器做光源。其辦法是在AMO太陽模擬器下,用標準太陽電池的短路電流輸出監視光源,當調節太陽模擬器,使標準太陽電池的短路電流等於在AMO標-準陽光條件下的值時,就可以認為該太陽模擬器復現了AMO標準陽光條件。此時,即可測試太陽電池單體、太陽電池組合、太陽電池陣或太空飛行器的光一電輸出特性。標準測試的太陽電池溫度應保持恆定，美國規定的溫度為28℃，西歐規定的為25℃，如果被測太陽電池與標準太陽電池具有相同的光譜回響特性，那么可以用上面辦法調節其他光源(如鹵族一鎢燈)，即用等效光強方法復現AMO標準陽光條件。

由此可見，標準太陽電池是測試太陽電池單體、太陽電池組合以及太陽電池陣光-伏性能的基準。太陽電池標定的目的是為太空飛行器設計提供精確而可靠的設計參數，因此，世界各國宇航部門都非常重視太陽電池的標定，二十多年來一直在進行這項工作。例如，美國航宇局的劉易斯航天中心、馬歇爾航天中心、噴氣推進實驗室，歐洲空間局的歐洲空間研究與技術中心、英國皇家飛機公司、法國空間技術中心等，都根據自己的特點，開展了氣球、火箭、衛星以及地面實驗標定等工作。航天用標準太陽電池的標定精度現已達到1.0%以內。

標準太陽電池的維護

應保持標準太陽電池的封裝視窗清潔，避免劃痕。應防止無封裝的標準太陽電池遭受損傷、污染或衰變。經常使用的標準太陽電池的標定值應至少一個月校對一次，在同一個輻照度下比較它們的短路電流。如果短路電流之比的變化值超出±1%，應重新對這些電池進行標定。所有的標準太陽電池至少每12個月重新標定一次。

太陽電池標準與標定的前景

八十年代的實用通信、導航、氣象、地球資源、科學探測和軍用衛星等要求太陽電池陣的供電功率達2~25千瓦。未來太空飛行器將向大功率、長壽命、多功能、高精度和高可靠性方向發展，這對太陽電池能源系統的設計精度和可靠性也提出了更高的要求。能源短缺已成為世界各國普遍關注的間題，而太陽能是理想的能源，太陽電池則被認為是無限而潔淨的能源。然而在地面上，由於風、雲、雨、霧以及晝夜交替的影響，太陽能不能得到充分利用。隨著航天事業的發展，未來的太陽發電衛星以及空間城將具有面積達幾百平方公里以上的巨大太陽電池陣，可向地球提供兒千兆瓦的電功率。因此，人類在能源問題上的重大突破寄託於航天技術的發展。這一方面要求研製新型太陽電池，滿足大規模發電的需要，另一方面要求對各種太陽電池做標準片的標定實驗，以滿足對太陽電池標準的精度與可靠性的要求。因此，太陽電池的標準化和太陽電池標定將伴隨太陽電池的研製、生產、使用而發展，而且是航天技術中一個一長期的課題。