JJF(闽)1092-2018太阳电池量子效率测试仪校准规范.pdf
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1、 福 建 省 地 方 计 量 技 术 规 范 JJF(闽)1092-2018 太阳电池量子效率测试仪校准规范 Calibration Specification for Solar Cell Quantum Efficiency Measurement Instruments 20181105 发布 20190205 实施 福 建 省 质 量 技 术 监 督 局 发 布 JJF(闽)10922018 太阳电池量子效率测试仪校准规范 Calibration Specification for Solar Cell Quantum Efficiency Measurement Instrument
2、s 归 口 单 位:福建省质量技术监督局 起 草 单 位:福建省计量科学研究院 本规范委托起草单位负责解释 JJF(闽)1092-2018 JJF(闽)10922018 本规范主要起草人:罗海燕(福建省计量科学研究院)杨爱军(福建省计量科学研究院)黎健生(福建省计量科学研究院)参加起草人:李 杰(福建省计量科学研究院)陈彩云(福建省计量科学研究院)刘燕红(福建省计量科学研究院)王永昶(上海伟信新能源科技有限公司)JJF(闽)10922018 I 目 录 1 范围 (1)2 引用文件 (1)3 术语和计量单位 (1)4 概述 (2)5 计量特性 (3)6 校准条件 (3)6.1 环境条件 (4)
3、6.2 校准用设备 (4)7 校准项目和校准方法 (5)7.1 外观检查 (5)7.2 单色光光斑和偏置光光斑不均匀性 (5)7.3 偏置光光谱匹配度 (6)7.4 相对光谱响应测量示值误差 (7)7.5 光谱响应测量重复性 (8)7.6 短路电流测量示值误差 (8)7.7 反射率测量示值误差 (8)7.8 波长示值误差 (9)7.9 光谱带宽 (9)7.10 温控平台示值误差、均匀性和稳定性 (9)8 校准结果表达 (10)9 复校时间间隔 (11)附录 A 太阳电池量子效率测试仪单色光和偏置光光斑不均匀性测量结果不确定度评定示例 (12)附录 B 太阳电池量子效率测试仪偏置光光谱匹配测量结
4、果不确定度评定示例 (15)附录 C 太阳电池量子效率测试仪相对光谱响应示值误差测量结果的不确定度评定示例 (17)附录 D 太阳电池量子效率测试仪短路电流示值误差测量结果的不确定度评定示例 (20)附录 E 太阳电池量子效率测试仪反射率测量示值误差测量结果的不确定度评定示例 (22)JJF(闽)10922018 II 附录 F 太阳电池量子效率测试仪波长示值误差校准结果的不确定度评定示例 (25)附录 G 太阳电池量子效率测试仪的带宽校准结果的不确定度评定示例 (27)附录 H 太阳电池量子效率测试仪温控平台温度示值误差测量结果的不确定度评定示例 (29)附录 I 太阳电池量子效率测试仪校准
5、原始记录格式 (32)JJF(闽)10922018 III 引 言 本 规 范依据 JJF1071-2010 国家计量校准规范编写规则编制,并按照JJF1059.1-2012 测量不确定度评定与表示的要求评定和表示测量不确定度。参考了IEC 60904-8 2014 光伏器件 第 8 部分:光伏器件光谱响应的测量、DB35/T 1362-2013 太阳模拟器技术要求、和 JJF 1150-2006 光电探测器相对光谱响应度校准规范的部分内容。本规范为首次发布。JJF(闽)10922018 1 太阳电池量子效率测试仪校准规范 1 范围 本规范适用于太阳电池量子效率测试仪波长范围为(2801600
6、)nm 的校准,包括测量单晶硅、多晶硅、薄膜和多结太阳电池的量子效率测试设备。各类量子效率测试设备应根据具体要求有针对性地加以引用。2 引用文件 JJF 1071 国家计量校准规范编写规则 JJF 1059 测量不确定度评定与表示 JJF 1150-2006 光电探测器相对光谱响应度校准规范 GB/T 2297-1989 太阳光伏能源系统术语 GB/T 6495.8-2002 光伏器件 第 8 部分:光伏器件光谱响应的测量 DB35/T 1362-2013 太阳模拟器技术要求 ASTM E1021-06 阻挡层光电池的光谱特性的测定方法 IEC 60904-8 2014 光伏器件 第 8 部分
7、:光伏器件光谱响应的测量 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语和计量单位 3.1 光谱响应(光谱灵敏度)Spectral Response(Spectral Sensitivity)指各个波长上,单位辐照度所产生的短路电流密度与波长的函数关系。3.2 绝对光谱响应(绝对光谱灵敏度)Absolute Spectral Response(Absolute Spectral Sensitivity)指在规定的波长上,短路电流密度与辐照度之比。3.3 相对光谱响应(相对光谱灵敏度)Relative Spectra
8、l Response(Relative Spectral Sensitivity)它是以某一特定的波长(通常是以光谱响应的最大值)进行归一化的光谱响应。3.4 量子效率 Quantum Efficiency JJF(闽)10922018 2 量子效率是指太阳电池产生的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池表面的光子数目之比(%)。量子效率()QE 与光谱响应()SR 和波长的关系如下式所示:(1)3.5 偏置光 Bias Light 以单色光照射到太阳电池表面进行光谱响应测试时,为了模拟太阳电池的实际工作环境,有时附加一个模拟阳光照射到太阳电池表面,这个附加光照称为偏置光。3.6 AM1.5G 条
9、件 AM1.5G Condition 标定和测试地面用(大气质量AM(Air Mass)=1.5G)太阳电池所规定的太阳的辐照度和光谱分布。3.7 光谱匹配度 Spectral Match 模拟或自然光源的光谱辐照度分布相对于AM1.5G参考太阳光谱辐照度分布的匹配程度。3.8 短路电流 Short-circuit current 在一定的温度和辐照度条件下,光伏发电器在端电压为零时的输出电流,通常用Isc来表示。3.9 光谱带宽 Spectra band width 指从单色器射出的单色光谱线强度轮廓曲线的二分之一高度处的谱带宽度。通常用来表征仪器的光谱分辨率。4 概述 图1 太阳电池量子效
10、率测试仪结构示意图 1240()()100%SRQEJJF(闽)10922018 3 太阳电池量子效率测试仪是用于测量各种太阳电池的光谱响应、量子效率、反射率、短路电流密度等指标的测试仪器,是太阳电池结构分析和电性能参数校准的重要测试设备。太阳电池量子效率校准系统如图1所示,主要包括:光源、斩波器、单色仪/滤光片轮、偏置光光源、锁相放大器、前置放大器、控制系统、数据记录和处理软件等。太阳电池量子效率测试仪测量原理是用强度可调的偏置光照射太阳电池,模拟其不同的工作状态,同时测量太阳电池在不同波长的单色光照射下产生的短路电流,从而得到太阳电池的光谱响应。5 计量特性 太阳电池量子效率测试仪的计量特
11、性包括:单色光光斑不均匀性、偏置光光斑不均匀性、偏置光光谱匹配度、相对光谱响应测量示值误差、光谱响应测量重复性、短路电流测量示值误差、反射率测量示值误差、波长示值误差、光谱带宽、温控平台示值误差、稳定性和均匀性。各项技术指标见表 1。表 1 太阳电池量子效率测试仪主要技术指标 序号 校准项目 技术指标 1 单色光光斑不均匀性 5%(有效单色光光斑面积2 cm2 cm)2 偏置光光斑不均匀性 10%(有效单色光光斑面积2 cm2 cm)3 偏置光光谱匹配度 不超出 C 级(仅针对晶硅电池测试的白偏置光)4 相对光谱响应测量示值误差 小光斑仪器(有效单色光光斑面积小于 2 cm2 cm):不超过1
12、%(4001000)nm,不超过2%(其它波长段);大光斑仪器(有效单色光光斑面积大等于 2 cm2 cm):不超过1.5%(4001000)nm,不超过2.5%(其它波长段);5 光谱响应测量重复性(4001000)nm 内不超过 0.5%;(280400)nm 和(10001600)nm 内不超过 2%。6 短路电流测量示值误差 不超过0.5%(有效单色光光斑面积2 cm2 cm)7 反射率测量示值误差 不超过0.5%8 波长示值误差 不超过1 nm 9 光谱带宽(2801200)nm15 nm;(12001600)nm50nm 10 温控平台示值误差、稳定性和均匀性 示值误差不超过1,稳
13、定性不超过1,均匀性不超过1 注:以上指标不适用于合格性判别,仅供参考。6 校准条件 JJF(闽)10922018 4 6.1 环境条件 6.1.1 环境温度:(25 5),相对湿度:80%RH;6.1.2 电源:(220 10)V,频率:(501)Hz;6.1.3 无明显机械振动,无电磁干扰,无易燃易爆和腐蚀性气体,无影响辐照度和光谱测量的杂散光。6.2 校准用设备 6.2.1 WPVS(World Photovoltaic Scale)标准太阳电池 短路电流校准不确定度Urel(Isc)2.2%(k=2);光谱响应范围(2801200)nm,绝对或相对光谱响应校准不确定度:(280400)
14、nm:Urel(SR)3%(k=2),(4001200)nm:Urel(SR)2%(k=2)。6.2.2 信号采集装置 含准确度等级为 0.01 级的直流数字电压表(6 位半以上)和精密 I/V 变换器。6.2.3 标准探测器 已知绝对或相对光谱响应的 Si、Ge 或 InGaAs 光电探测器,绝对光谱响应校准不确定度(280300)nm:Urel1.5%(k=2);(3001200)nm:Urel0.5%(k=2);(12001600)nm:Urel5%(k=2)。6.2.4 6 英吋参考电池片 经至少 60 kWh 辐照量老化的晶硅电池,短路电流校准不确定度:Urel(Isc)2.5%(k
15、=2);相对光谱响应度校准不确定度:(300400)nm:Urel2.5%(k=2);(4001100)nm:Urel2.0%(k=2)。6.2.5 标准白板或标准灰板 标准白板反射率校准不确定度:U2.0%(k=2),d2 英寸(应能覆盖积分球的洞口)。标准灰板反射率校准不确定度:U5.0%(k=2),d2 英寸(应能覆盖积分球的洞口)。6.2.6 光谱仪 光谱分布测量范围不小于(4001100)nm,校准不确定度:Urel8.0%(k=2)。6.2.7 标准线光谱灯源 汞-氩氖灯特征波长为 253.652 nm、365.016 nm、435.833 nm、546.075 nm、696.54
16、3 nm、912.297 nm。JJF(闽)10922018 5 6.2.8 窄带宽标准滤光片 中心波长 632.7 nm,U0.6 nm(k=2);中心波长 1332.7nm,U0.6 nm(k=2)。6.2.9 温度测量标准器 数字温度计:温度误差不超过0.1,U0.5(k=2)。7 校准项目和校准方法 7.1 外观检查 用目视和手动检查。内容包括:制造厂名或商标、出厂编号、仪器名称、型号;辐照度、温度测量和显示装置能正常工作。辐照度测试仪应满足 5.1 条件后再开始校准。以下 7.2-7.11 校准项目应按照仪器使用说明书的要求开机预热,待仪器稳定后进行校正。7.2 单色光光斑和偏置光光
17、斑不均匀性 若被校仪器的单色光斑面积大于等于 156 mm 156 mm,选取单色光光斑测试有效区域的上中下和左中右 9 个测试位置(典型示意图如图 2 所示),采用 WPVS 参考太阳电池作为检测器,在每个测试位置测量单色光辐照度,产生与辐照度成正比的短路电流,用精密数字电压表记录短路电流经 I-V 转化器放大后的与辐照度等效的电压信号VMWij(i 和 j 分别是测试点所在的行数和列数),找出最大值VMWmax和最小值VMWmin,根据公式(2)计算单色光光斑的不均匀度JMW:m a xm i nm a xm i n100%WMMWMWWWMMVVJVV (2)其中作为检测器的 WPVS
18、硅太阳电池也可以替换成其他符合要求的检测器。典型的单色光评估波长为 400 nm、550 nm、650 nm 和 900 nm 单色光。可根据校准需求选择校准其他波长。图2(156 mm156 mm)光斑测试区域内9个测试位置示意图 JJF(闽)10922018 6 若被校仪器的单色光斑面积小于 156 mm 156 mm,则检测器的有效感光面积的边长应不大于待评估光斑短边边长的八分之一。应根据实际情况和校准需求划分校准区域和选择校准的检测器。偏置光光斑的不均匀度采用类似前述单色光光斑的不均匀度校准方法进行校准。将偏置光光斑测试有效区域划分成 9 个测量位置,采用 WPVS 参考太阳电池作为检
19、测器,在每个测试位置测量辐照度,产生与辐照度成正比的短路电流,用精密数字电压表记录短路电流经 I-V 转化器放大后的与辐照度等效的电压信号VBWij(i 和 j 分别是测试点所在的行数和列数),找出最大值VBWmax和最小值VBWmin,根据公式(3)计算偏置光光斑的不均匀度JBW:m a xm i nm a xm i n100%WBBWBWWWBBVVJVV (3)不均匀性校准采用的点数,也可在上述要求的基础上根据校准需求增加测量点进行校准。7.3 偏置光光谱匹配度 将光谱仪分别垂直置于测试区域的 ABCDE 五个位置(如图 3 所示),测量光斑在(4001100)nm 内各个波长范围的光谱
20、辐照度分布,计算各波长间隔内的光谱辐照度分布(即占积分辐照度的百分比),与表 2 中 AM1.5G 标准光谱辐照度分布的百分比之比值为光谱匹配度;图 3(156 mm156 mm)光斑测试区域内 5 个测试位置示意图 表 2 标准光谱辐照度分布 波长范围(nm)占有效波段内积分辐照度的百分比 AM1.5G 条件(有效波段 400 nm 1100 nm)400500 18.4 JJF(闽)10922018 7 500600 19.9 600700 18.4 700800 14.9 800900 12.5 9001100 15.9 将 5 个位置各波段的比值与表 2 中的标准光谱对应波段的辐照度百
21、分比相除得到对应的偏离范围 P,根据表 3 评定光谱匹配度等级,由最差的光谱匹配度等级确定偏置光的光谱匹配级别。表 3 光谱匹配等级划分 等级 光谱匹配特性 P(与表 1 中 AM1.5G 条件下百分比的偏离范围)A 0.75P1.25 B 0.6P0.75,1.25P1.4 C 0.4P0.6,1.4P2.0 7.4 相对光谱响应测量示值误差 对于只能产生小光斑单色光的仪器或工作在产生小光斑单色光状态的仪器,在其样品台放置标准光电探测器进行相对光谱响应测量。280 nm1000 nm 波段采用标准 Si 光电探测器,1000 nm1600 nm 波段采用标准 Ge 光电探测器或 InGaAs
22、 光电探测器。重复校准 3次,记录以光谱响应的最大值进行归一化的相对光谱响应值,取其算术平均值 作为仪器的相对光谱响应的校准值,按式(4)计算仪器的相对光谱响应相对示值误差。取绝对值最大的示值误差为示值误差结果。(4)式中:SR仪器 3 次相对光谱响应校准值的平均值;SRs标准探测器的相对光谱响应标准值。对于大光斑的仪器,采用光谱响应测量模式,在其样品台放置 WPVS 参考太阳电池进行相对光谱响应测量,重复校准 3 次,记录以光谱响应的最大值进行归一化的光谱响应值,取其算术平均值作为仪器的相对光谱响应的校准值,按式(4)计算仪器的相对光谱响应相JJF(闽)10922018 8 对示值误差 SR
23、。取绝对值最大的示值误差为示值误差结果。也可以采用已知光谱响应的 6 吋参考电池片进行大光斑的相对光谱响应示值误差的校准。7.5 光谱响应测量重复性 对于小光斑的仪器,在其样品台放置标准光电探测器进行光谱响应重复性测量,280 nm1000 nm波段采用标准Si光电探测器,1000 nm1600 nm波段采用标准Ge光电探测器或InGaAs光电探测器,重复测量6次,记录每次的光谱响应值SRi,计算平均值SR按式(5)计算重复性s(SR)。(5)也可以采用已知光谱响应的WPVS进行小光斑的光谱响应重复性的校准。对于大光斑的仪器,采用性能稳定的6吋参考电池片进行光谱响应重复性测量,重复测量6次,按
24、式(5)计算重复性。7.6 短路电流测量示值误差 采用短路电流测量模式,在其样品台放置标准6吋参考电池片或者WPVS参考太阳电池进行测量,重复校准3次,取其算术平均值作为仪器的短路电流的校准值,按式(6)计算仪器的短路电流相对示值误差scI。取绝对值最大的示值误差为示值误差结果。100%scscscsIscsIII (6)式中:scI仪器 3 次校准值的平均值;Iscs标准 6 吋参考电池片或者 WPVS 参考太阳电池的短路电流标准值。7.7 反射率测量示值误差 经自校后的仪器,采用反射率测量模式,在其样品台放置标准白板或灰板进行反射率示值误差测量,重复测量 3 次,取算术平均值作为仪器的反射
25、率测量值,按式(7)计算仪器的反射率示值误差。RsRR (7)JJF(闽)10922018 9 式中:R仪器 3 次反射率测量值的平均值;Rs标准白板或灰板反射率标准值。7.8 波长示值误差 经自校后的仪器,采用透射率测量模式,在其样品台放置中心波长约为632.7 nm和1332.7 nm的标准滤光片进行波长示值误差测量,重复测量3次,取测得波峰的中心波长算术平均值作为仪器的波长测量值,按式(8)计算仪器的波长示值误差。s (8)式中:仪器 3 次波长测量值的平均值;s标准滤光片中心波长标准值。波长准确度也可采用光谱仪或标准线光谱灯源进行校准。设置仪器的单色光为360 nm、550 nm、90
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