太阳模拟器校准规范

1太阳模拟器校准规范本规范适用于太阳光伏和其他相关行业用稳态和瞬态太阳模拟器的性能校准。IEC60904-9:2007《光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求》(Photovoltaicdevices—Part9:Solarsimulatorperformancerequirements)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。以下术语和定义适用于本校准规范3.1AMO条件AM0condition标定和测试空间用(AM=0,即地球的大气层外，大气质量为0,未受到大气层的反射和吸收)太阳电池所规定的太阳辐照度和光谱辐照度分布。标定和测试地面用(AM=1.5,即太阳光通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍，对应的天顶角约为48°)太阳电池所规定的太阳辐照度和光谱辐照度分布。太阳模拟器光源的光谱相对于标准太阳光谱辐照度的匹配程度。在整个有效工作区域内，太阳模拟器的辐照度最大值(Em)和最小值(Em)之间的相对偏差。辐照度不均匀度=(Emx—Emin)/(Emx+Emi)×100%。3.5辐照度不稳定度irradianceinstabi有效辐照面内任意给定位置上，在规定的时间间隔内，太阳模拟器的辐照度最大值辐照度不稳定度=(Emx—Emin)/(Emx+Emin)×100%太阳模拟器是模拟自然太阳光谱和辐照度的一种光源设备，通常由光源和电源、光学部件和滤光片、以及控制操作系统组成，如图1所示。依据IEC60904-9:2007,衡量太阳模拟器优劣的技术指标主要包括三个方面：光谱匹配特性(与AM0或AM1.5G太阳光谱辐照度分布作比较),辐照度不均匀度和辐照度不稳定度。25.1太阳模拟器光谱辐照度：光谱匹配度，即与AM0或者AM1.5G标准光谱辐照度对比，偏离范围在[0.75,1.25],则为A级；(0.6,0.75)或者(1.25,1.4],则为B级；(0.4,0.6)或者(1.4,2.0],则为C级。5.2太阳模拟器辐照度不均匀度：小于或等于2%,则为A级；(2%,5%)为B级；a)短期不稳定度：小于或等于0.5%,则为A级；(0.5%,2%)为B级；(2%,b)长期不稳定度：小于或等于2%,则为A级；(2%,5%)为B级；(5%,6.1.1温度：校准过程中温度变化范围为23℃±5℃;6.1.2相对湿度：≤80%RH;6.1.3电源电压：交流电源[220(1±10%)]V;6.1.4其他条件：环境清洁通风，无影响仪器正常工作的电磁场、机械振动，光学暗校准用计量器具和测量标准应经计量技术机构检定合格或校准，并在有效期要求能够采集响应速度为ms量级的光辐射。工作波长范围需覆盖300nm～1100nm,6.2.2检测器：用于测量太阳模拟器的辐照度，测量过程中稳定性优于±0.2%,温度3系数小于0.1%/℃,可采用硅探测器或单晶硅太阳电池片。6.2.3I-V转换器：用于将太阳电池片在太阳模拟器辐射下产生的电流信号转化为电压信号，转换器的负载阻值大小与短路电流的乘积应小于开路电压值的3%,并满足响6.2.4数据采集卡或数字电压表：用于采集在太阳模拟器的辐射下检测器所产生的信号，准确度等级为0.01级，并可满足响应时间要求。6.2.5校准结果需要给出对应校准不确定度，评定方式参考附录C。7校准项目和校准方法7.1校准前检查7.1.1核对检查被校太阳模拟器的名称、规格型号、生产厂商、出厂编号等。7.1.2确认被校太阳模拟器的正常工作状态，有效工作面积以及周围环境状况等。7.2校准项目校准项目包括光谱匹配特性(与AM0或AM1.5G太阳光谱辐照度分布作比较)、辐照度不均匀度、辐照度不稳定度三项指标。7.2.1光谱匹配度校准7.2.1.1用光谱辐照度计，测试太阳模拟器输出的光谱辐照度分布，在有效波段范围内(AM0为300nm～1100nm,AM1.5G为400nm～1100nm)计算其积分辐照度。7.2.1.2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1中标准光谱辐照度分布(AM0或AM1.5G)的百分比之比值为光谱匹配度。占有效波段内积分辐照度的百分比/%AM0条件(有效波段300nm~AM1.5G条件(有效波段400nm~7.2.1.3将各波段的比值与表2中数值范围进行比较，由最差的光谱匹配度等级确定太阳模拟器的光谱匹配级别。4表2光谱匹配等级划分等级光谱匹配特性(与表1中AM0或AM1.5G条件下百分比的偏离范围AB(0.6,0.75)或者(1.25,1.4]C(0.4,0.6)或者(1.4,2.0]本规范所采用校准方法的原理是：根据检测器短路电流与辐照度成正比的关系，用数据采集系统收集太阳模拟器辐射下检测器的短路电流经I-V采集辐照度。辐照度不均匀度的校准典型装置示意图如图2所示，其中作为检测器的硅硅电池数据采集卡同轴电缆图2辐照度不均匀度和不稳定度校准装置示意图(1)将太阳模拟器的工作面均等划分为若干个区域，每个区域的有效受光面积不得大于400cm²,区域的个数由太阳模拟器总的有效工作面积所决定，一般不少于64个。(2)对于稳态太阳模拟器，用检测器沿着工作面内选定的方向移动，采集其在每个(3)对于瞬态太阳模拟器，其检测器移动测量过程同稳态太阳模拟器，由于单次闪光脉冲检测器只能测量到一个区域的辐照度，因此整个测量过程需要多次闪光脉冲才可完成。为避免多次闪光脉冲重复性影响不均匀度校准，需要放置另一检测器于有效工作面的固定位置，以监视多次闪光脉冲的变化。(4)在整个有效工作面各测试区域内，找出检测器信号的最大值(Vm)和最小值(Vmin),对最大值和最小值位置进行复测，以确定是否因偶然因素导致误判。然后根据公式(1)进行不均匀度计算：不均匀度%=(Emx-Emm)/(Emx+Emi)×100%=(Vmax—Vmm)/(Vmax+Vmi)×100%(5)对比表3中等级划分的数值，得出太阳模拟器辐照不均匀度的等级5表3太阳模拟器辐照度不均匀度和不稳定度的等级划分范围等级%%短期不稳定度长期不稳定度A22B525C7.2.3.1校准原理和装置示意图(1)将检测器放置在有效工作面内任意固定位置。(2)太阳模拟器的短期不稳定度测量：a)如果I-V测试用太阳模拟器可同时采集辐照度、电压和电流信号，则无需进行测量，即可判定其短期不稳定度为A级；b)如果I-V测试用太阳模拟器是非同时采集辐照度、电压和电流信号，分别测量I-V曲线上每个数据所对应的上述三个信号采集时间间隔内检测器信号的变化，取其中(3)瞬态太阳模拟器的长期不稳定度测量：a)对于长脉冲太阳模拟器，其长期不稳定度是指在单个脉冲数据采集时间内的辐照度变化，如图3。将检测器置于有效工作面内选定位置，并确定脉冲数据采样时间范图3长脉冲太阳模拟器数据采集示意图b)对于短脉冲太阳模拟器，其长期不稳定度是指在测试整条I-V曲线过程中所需的多个单脉冲中数据采样时间内的最大辐照度变化，如图4。方法同a)6(4)稳态太阳模拟器的长期不稳定度测量将检测器置于有效工作面内选定位置，在一定总时间内，根据设备要求每隔固定时间测量检测器信号。(5)在整个测量过程中，找出检测器信号的最大值和最小值，按照公式(2)进行(6)对比表3中等级划分的范围，得出太阳模拟器辐照度不稳定度的等级。8校准结果表达校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息b)实验室名称和地址；c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识；e)客户的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的h)如果与校准结果的有效性应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明i)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j)本次校准所用测量标准的溯源性及其有效性说明k)校准环境的描述；l)校准结果及其测量不确定度的说明；m)对校准规范的偏离的说明；n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识；o)校准结果仅对被校太阳电池有效的声明p)未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。7具体参照附录A,格式上可依据实际情况做合理改动。被校太阳模拟器的光谱辐照度分布、辐照度不均匀度和不稳定度校准过程中采集的数据应记入校准原始记录，按附录B的格式给出。9复校时间间隔复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由太阳模拟器的使用情况、使用者及其本身质量等诸因素所决定的，送校单位可根据实际使用情况自主决定是否缩8校准结果内页推荐格式1.太阳模拟器光源与AM0或者AM1.5G光谱匹配度(以AM1.5G为例)如下图1太阳模拟器与AM1.5G光谱辐照度分布图序号波段内积分辐照度的百分比/%内积分辐照度的百分比/%光谱匹配度1234569图2不均匀度校准区域划分示意图12345ABCDEFG6789ABCDEFG不均匀度/%=(Vmx-Vmin)/(校准设备如果太阳模拟器可同时采集辐照度、电压和电流信号，则短期不稳定度判定为如果太阳模拟器是非同时采集辐照度、电压和电流信号，则短期不稳定度=(Vmx—Vmin)/(Vmx+Vmin)×100%。其长期不稳定度/%=(Vmx-Vmn)/(Vmax+Vmin)×100%。其中Vmx=mV;结论：太阳模拟器等级为等级光谱匹配度在400～500nm范围内()在500～600nm范围内()在600～700nm范围内()在700～800nm范围内()在800～900nm范围内()在900～1100nm范围内()不均匀度()短期不稳定度()长期不稳定度()等级()等级()等级()附录B校准原始记录内页推荐格式太阳模拟器性能校准记录型号规格出厂编号生产厂家计量器具证书号湿度：校准员：核验员：校准日期年月日序号太阳模拟器有效波段内光谱匹配度23456B.2.2辐照度不均匀度校准记录整个有效工作面内，表示各对应位置检测器信号的数据(以指定测试规格7×10为例)如下。12345ABCDEFG6789ABCDEFGB.2.3辐照度不稳定度校准附录C校准不确定度评定示例C.1太阳模拟器光谱匹配度校准不确定度的评定C.1.1由光谱辐照度计校准引入的不确定度u₁通过改变光谱辐照度计探头角度，确定由余弦修正带来的误差。角度偏差15°以波长范围比值%比值%比值%同等条件下重复测量同一太阳模拟器的光谱辐照度分布，其测量偏差如表C.2所示，不确定度u₃=0.6%。波长范围比值/%比值/%比值/%比值/%比值/%0C.1.4温度偏差引起的不确定度u₄在10℃、25℃和30℃条件下分别测量同一太阳模拟器的光谱辐照度分布(M1、M2、M3),其测量偏差如表C.3所示，不确定度u₄=0.6%。C.1.5太阳模拟器光谱匹配度(SM)校准的相对合成标准不确定度：uc(SM)=√uì+ui+u+ul相对扩展不确定度为：波长400nm～1100nm,Ug(SM)=2u。(SM)=6.4%(k=2)。C.2太阳模拟器辐照度不均匀度校准不确定度评定C.2.1检测器不稳定度引入的不确定度us将检测器放置于高稳定度光源下，稳定30min后，测量其输出信号，不稳定度数据如图C.1所示。Imax=0.02471A,Imin=0.0246检测器不稳定度计算如下：不稳定度us=(Imax—Imim)/(Imax+Imin)×100%=0.06%C.2.2位置重复性引起的不确定度us由于划分区域与检测器几何尺寸不一致，因放置位置不同引入的不确定度C.2.3太阳模拟器重复性引起的不确定度u₇以某一瞬态太阳模拟器为例，在30min内，同一区域重复测量，其辐照度的重复性引入的不确定度u₇=0.8%。C.2.4仪器读数有效位数引起的不确定度ug使用的采集系统测量电压信号，最低挡位为200mV,分辨力为16bit,1/216=1.5×10-5。由此引起的不确定度可忽略不计。C.2.5太阳模拟器辐照度不均匀度(NU)校准的相对合成标准不确定度ue(NU)=√u}+ui+uì+u(C.2)扩展不确定度为：Ur(NU)=2uc(NU)=2%(k=