CNS 13059-10-2002 Photovoltaic devices Part 10 Methods of linearity measurement《光电伏打组件(第十部：线性量测法)》.pdf

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1、1 光電伏打元件(第十部：線性量測法) 印行年月 94 年 10 月 本標準非經本局同意不得翻印 中華民國國家標準 CNS總號 類號 ICS 621.385.5 13059-10 C6346-10 經濟部標準檢驗局印行 公布日期 修訂公布日期 91 年 12 月 5 日 年月日(共 8 頁) Photovoltaic devices Part 10 : Methods of linearity measurement 1. 適用範圍 本標準適用於決定任何光電伏打元件參數於針對測試參數在其線性程度之描述程序。本標準可為校正實驗室、模組製造商與系統設計者意圖使用上述程序之主要參考。 光電伏打（ P

2、V）模組及系統性能評估，與從一溫度組及照射光狀況轉移至另一頻率之性能皆倚賴使用線性公式（參照 CNS 13213對矽晶光電元件之電流電壓特性測量值做溫度與輻射校正之程序及 CNS_IEC 61829）。本標準規定線性要求條件及測試法以保證此線性公式會有滿意之結果，此要求條件間接地指示該線性公式應使用之溫度與照射光變數的範圍。 本標準描述之量測法適用於所有的光電伏打元件，本標準意圖於樣本上或與同等技術所產出之同等品上執行。所有需要作為線性元件之量測與修正程序前，必須履行本標準程序。本標準所用的方法論類似於 CNS 13213 之規定，即一組資料點使用最小平方吻合計算常式（ least-squar

3、es fit calculation routine）去滿足一線性（直線）函數。而由此函數亦可計算出資料之變異量（ variation），而線性之定義即表示為此變異量百分值之容許度。 在溫度與照射光應用範圍內，當下述條件皆符合時，元件可視為具有線性：（一般而言，溫度範圍最少為 25至 60，而照射光範圍最少為 700W m-2至 1000Wm-2）。 (1) 短路電流對照射光之曲線，其斜率的正規化標準差（s /m）應小於 0.02。 (2) 開路電壓對照射光對數之曲線，其斜率的正規化標準差（s /m）應小於 0.05。 (3) 開路電壓與短路電流對溫度之曲線，其斜率的正規化標準差 （s /m）

4、 應小於 0.1。 (4) 為整個波長帶，在特定電壓時，其相對光譜響應之變異量應小於 5%。 備考 1. 本光電伏打系列標準，許多需作光譜不匹配改正意味需作光譜響應之量測，因此要求對溫度與照射光之光譜響應為線性是重要的，而對新技術如光化學電池亦顯重要。 2. 由於某些元件如非結晶矽之相對光譜響應對電壓會有相當大的變化，故而線性係在一固定電壓狀況下測量。 在此狀況下選擇電壓應由主要的使用所主導，如果最大電力配備為應用範圍則選擇 Vmax，及若作為校正使用則選擇零偏壓較合適。 3. 應注意某些元件之相對光譜響應對溫度與照射光會變動，故此效應有些會起因於如同在上述條件 (1)與 (3)項中之短路電流

5、非線性之改變，但有些則2 CNS 13059-10 , C 6346-10 不。而上述條件 (4)項之要求條件起因於此種非線性效應。 決定上述線性程度與其他性能參數之一般程序描述規定於第 4 節至第 6 節。 2. 參考 本標準參考 CNS 13059光電伏打元件等系列標準，下列為其中參考之各部。 (1) CNS 13059-2 光電伏打元件第二部：基準太陽電池之要求條件 (2) CNS 13059-3 光電伏打元件第三部：具光譜照射光基準數據之陸上光電伏打（ PV）太陽元件量測原理 (3) CNS 13059-6 光電伏打元件第六部：基準太陽電池模組之要求條件 (4) CNS 13059-7

6、 光電伏打元件第七部：光電伏打元件測試中所產生光譜不匹配誤差之計算 (5) CNS 13059-8 光電伏打元件第八部：光電伏打元件光譜響應之量測 (6) CNS 13059-9 光電伏打元件第九部：太陽模擬器性能之要求條件 (7) CNS 13213 對矽晶光電元件之電流電壓特性測量值做溫度與輻射校正之程序 3. 裝置 3.1 測試裝置 為要控制及測量測試狀況需下述裝置： (1) 後續測試中所用之型式的輻射源（自然陽光或太陽模擬器，符合 CNS 13059-9 規定之 B 級或更佳）。 (2) 在應用範圍中，任何需要改變照射光而不影響相對光譜照射光分布及空間均勻性之設備，例如網絡狀濾波器或中

7、性密度濾波器。 備考：用於改變照射光之設備及程序應由輻射計加以驗證。相對光譜照射光分布中之變異應不產生對元件短路電流變異超過 0.5%之結果。 (3) 具有已知短路電流對由校正決定之照射光特性的光電伏打基準元件。此校正由絕對輻射計履行並應符合相關標準之規定。 (4) 在應用範圍中，任何需要改變測試樣本溫度之設備。 (5) 控制測試樣本及基準元件溫度之方法，或可移除式遮蔽。 (6) 合適之固裝以支撐測試樣本與基準元件在同一平面上並與輻射光線垂直。 (7) 監測測試樣本及基準元件之溫度至準確度為 1且重覆率為 0.5的方法。 3.2 樣本裝置 依其性能參數為要達成所決定之線性，需一或多個下述裝置：

8、 (1) 測量測試樣本及基準元件之電流至準確度為讀數之 0.2%的設備。 (2) 測量測試樣本及基準元件之電壓至準確度為讀數之 0.2%的設備。 (3) 測量符合 CNS 13059-7 之規定的測試樣本（或等效於測試樣本之代表樣本）及基準元件之相對光譜響應至準確度為讀數之 2%的設備。 備考： CNS 13059-7 提供光電伏打元件測試中所產生光譜不匹配誤差之計算法。而 CNS 13059-8 提供光譜量測之準則。 4. 電流與電壓線性測試程序 為履行短路電流與開路電壓對溫度與照射光之線性測試，茲有二種可接受程序。 3 CNS 13059-10 , C 6346-10 4.1 在自然陽光下

9、之程序 (1) 在自然陽光下量測應僅作用於下述狀況時： (i) 總照射光最少為等高於應用範圍之上限。 (ii) 由短期振盪引起之照射光變異量應小於由參考元件測量到的總照射光之 2%。 (iii) 風速小於 2m s-1。 (2) 固裝測試樣本與基準元件在同一平面上，並讓二者與直接太陽光線垂直於1中。連接至必要的儀器。 備考：下述子節描述之量測應盡可能快速地於同天在數小時內完成以減少光譜情況中改變之影響，如無法完成，則需作光譜改正。 (3) 如果測試樣本與基準元件皆具有溫度控制，設定控制至欲求的位準。假如不使用溫度控制，將測試樣本與太陽光遮蔽並穩定其於環境空氣溫度之 1中。基準元件亦應於先前穩定

10、其於等效溫度之 1中。 (4) 移除遮蔽並立刻同時記錄測試參數 X、測試樣本元件參數 Y 與基準元件的溫度與短路電流之讀數。 (5) 參照 CNS 13213 之規定從光電伏打基準元件之測量電流（ Isc）及其在標準測試狀況下之校正值（ Irc）計算照射光 Go。使用基準元件特定溫度係數 rc以修正起因於基準元件之溫度 Tm。 Go 1 rc（ Tm 25） (6) 如果正在變異的測試參數為照射光，則在不影響空間均勻性或光譜照射光分布下，降低測試樣本之照射光至一已知之分數 ki。有下述數種方法可達成： (i) 使用校正過，均勻密度網絡狀濾波器。如選擇此法，在工作時基準元件應由濾波器維持未遮蔽以

11、能測量入射照射光。在此法， ki為濾波器校正參數。（光線傳輸之分數） (ii) 使用未校正過，均勻密度網絡狀濾波器。如選擇此法，在測試時基準元件亦應由濾波器遮蔽。在此法， ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。 (iii) 控制入射光之角度。如選擇此法，基準元件與測試樣本應具有相同的反射性質，且基準元件與測試樣本應固裝在同一平面上於 1中。在此法，ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。 備考：濾波器最大網絡開放尺寸應小於基準元件與測試樣本之最小線狀尺寸的1%。若非如此，則在定位時會發生變數誤差。 (7) 由下式計算測試樣本上之照射光位準

12、GiGi ki Go 此處 Go由上述 (5)中所描述之方法決定。 (8) 如果正在變異的測試參數為溫度，則藉由控制器或視需要藉由交替曝光或遮蔽測試樣本以達到及維持至欲求的溫度。更者，在暖機時，測試樣本與上述(4)之資料記錄程序被允許自然地周期性地履行暖機動作。 1000 IscIrc4 CNS 13059-10 , C 6346-10 (9) 在資料記錄時期，保證測試樣本與基準元件的溫度穩定且維持固定於 1之內，而且由基準元件測量到之照射光應維持固定於 2%之內。 (10) 重覆上述步驟 (4)至 (9)，選擇的測試參數值應在最少 4 個漸近相等增量之間（應用範圍已擴張），在每個測試狀況上最

13、少應作 3 個量測。 4.2 與太陽模擬器之程序 備考：類似於氙氣燈等使用放電方式之燈泡應不得使用於量測直接帶隙（ band gap）電池。當因溫度因素而改變帶隙，其能穿透在燈泡光譜中之各種放電線而使性能發生大偏離，此效應可藉由履行光譜不匹配改正措施或使用合適的濾波器來減低。 (1) 在模擬器測試平面中，固裝測試樣本與基準元件在同一平面上，並讓二者與光線中心線垂直於 2中。連接至必要的儀器。 (2) 如果測試樣本與基準元件皆具有溫度控制，設定控制至欲求的位準。假如不使用溫度控制，允許測試樣本與基準元件穩定其於室溫之 1中。 (3) 在測試平面上用基準元件之測量電流（ Isc）及其在標準測試狀況

14、下之校正值（ Irc），設定照射光至應用範圍之上限。 (4) 引導測試且同時記錄測試參數 Xi、測試樣本元件參數 Yi與基準元件的溫度與短路電流之讀數。 (5) 參照 CNS 13213 之規定從光電伏打基準元件之測量電流（ Isc）及其在標準測試狀況下之校正值（ Irc）計算照射光 Go。使用基準元件特定溫度係數 rc以修正起因於基準元件之溫度 Tm。 Go 1 rc（ Tm 25） (6) 如果正在變異的測試參數為照射光，則在不影響空間均勻性或光譜照射光分布下，降低測試樣本之照射光至一已知之分數 ki。有下述數種方法可達成： (i) 由增加測試平面與燈泡之距離達成。基準元件維持與測試樣本在

15、相同平面上， ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。 (ii) 使用光學鏡達成。在此法， ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。此法必須特別注意以保證光學鏡不會明顯地變更測試及基準樣本應響應的波長範圍內之相對光譜照射光。 (iii) 控制入射光之角度。如選擇此法，燈泡源與測試樣本之距離應非常大以限制照射光穿越被照射表面時之變更在 0.5%或更少。並且如選擇此法，放射光線應聚束，基準元件與測試樣本應具有相同的反射性質，且基準元件與測試樣本應固裝在同一平面上。在此法， ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。 (iv

16、) 使用校正過，均勻密度網絡狀濾波器。如選擇此法，在工作時基準元件應由濾波器維持未遮蔽以能測量入射照射光。在此法， ki為濾波器校正參數（光線傳輸之分數）。 (v) 使用未校正過，均勻密度網絡狀濾波器。如選擇此法，在測試時基準元件亦應由濾波器遮蔽。在此法， ki為基準元件之短路電流（ Isc）對其校正值（ Irc）之比率。 1000 Isc Irc5 CNS 13059-10 , C 6346-10 備考：濾波器最大網絡開放尺寸應小於基準元件與測試樣本之最小線狀尺寸的1%。若非如此，則在定位時會發生變數誤差。 (7) 由下式計算測試樣本上之照射光位準 GiGi ki Go 此處 Go由上述 (

17、5)中所描述之方法決定。 (8) 如果正在變異的測試參數為溫度，則藉由適當方式調整溫度（參照 CNS_IEC 61215 及 CNS_IEC 61646）。 (9) 在測試時，保證測試樣本與基準元件的溫度穩定且維持固定於 1之內。 (10) 重覆上述步驟 (4)至 (9)，選擇的測試參數值應在最少 4 個漸近相等增量之間（應用範圍已擴張），在每個測試狀況上最少應作 3 個量測。 5. 光譜響應線性測試程序 光電伏打基準元件之相對光譜響應係藉由照射一序列不同涵蓋其響應範圍波長之窄頻光源於其上的方法而量測到，及在此每個波長測量短路電流密度與照射光。CNS 13059-8 規定相對光譜響應之量測指引

18、。 5.1 特別考量 (1) 預先處理 (i) 非結晶矽元件之光譜響應測量前，該待測元件應將其穩定化（必要時）如遵循光浸染測試程序之規定（參照 CNS_IEC 61646）。 (ii) 其他光電伏打技術則需不同的預先處理程序。 (2) 如可能，本程序應施用於全尺寸測試樣本。如不可能，則使用等同的結構與材質之小樣本。 備考：太陽電池之光譜響應因囊裝而變更，所以囊裝太陽電池應於全尺寸模組不能被測試時使用。 (3) 當在相對光譜響應上有電壓效應時，則希望在結果報告時決定下述將被使用的項目： (i) 有負載下之光譜響應（vs ） 在特定負載電壓下之電流密度，由在特定波長（ A W-1）之單位照射光所產

19、生，繪出之曲線為波長的函數。 (ii) 有負載下之相對光譜響應（ k1vs ） 於歸一正規化負載在最大響應之波長下的光譜響應。 k1vs vs /vsmax光譜響應量測應在意圖使用之電壓下完成，而此電壓對光譜 響應資料應為適確的，故而此電壓情況需與資料一併註明。 5.2 一般程序 (1) 設定測試樣本上之偏移電壓至欲求位準且維持此偏移電壓於 Voc的 3%以內。 6 CNS 13059-10 , C 6346-10 (2) 設定測試樣本上之溫度至應用值，且維持其在 1之內。 (3) 此光譜響應量測應在類同 AM1.5 相對光譜分布（參照 CNS 13059-3）之白色偏移光下完成，設定白色偏移

20、光源照射光至應用值，且維持其在 1%之內。 (4) 於波長應用間隔上測量相對光譜響應，在此狀況時，最少作成 3 次相對光譜響應對波長間隔之量測（參照 CNS 13059-7 與 CNS 13059-8）。 (5) 對照射光新值重覆上述步驟 (3)至 (4)，選擇值應在最少 4 個漸近相等增量之間（應用範圍已擴張）。 (6) 對測試樣本溫度新值時，重覆上述步驟 (2)至 (5)，選擇值應在最少 4 個漸近相等增量之間（應用範圍已擴張）。 (7) 如有需要，此程序可於其他電壓狀況下重覆。 6. 線性計算 在測試時，確認任何不同於將被計算參數的可變參數將被保持為常數。溫度或照射光之微小變動須加以解析

21、改正至欲求狀況（參照 CNS 13213）。此為疊代處理方式意為當線性已建立且當更多精緻改正係數已決定時，仍應繼續更新計算。 6.1 線性斜率決定 為性能特性斜率，如開路電壓對溫度，或短路電流對照射光，使用下述方法計算線性： (1) 計算測試參數平均值，及使用最小平方吻合法計算最佳吻合直線之特性。 步驟 1：依下二式計算 X 與 Y 資料點之平均值： nXXn1ii= nYYn1ii=其中 n 為量測之次數 步驟 2：依下式計算最佳吻合直線之斜率 m： ()()=n1i2in1iiiXXYXXm步驟 3：最佳吻合直線即為所知之回歸線，可依下式寫出： ( )iiXXmYY =(2) 基於相對於對

22、最佳吻合直線個別資料點之差距計算此線斜率之變異量。 步驟 1：計算每一資料點與最佳吻合直線在 Xi位置之差距iY ： ( ) ( )XXmYYYiii= 7 CNS 13059-10 , C 6346-10 步驟 2：依下式計算每一資料點與平均值 X 之差距iX ： ( )XXXii= 步驟 3：基於上述差距計算總體斜率標準差s ： ()()()2i2isX2nY= (3) 斜率的正規化標準差為使用最佳吻合直線斜率 m，及斜率標準差s 依下式決定： 斜率的正規化標準差s /m 6.2 光譜響應線性度的決定 為固定偏移電壓的測試樣本之相對光譜響應對溫度（或照射光）依下述方法計算其線性。 (1)

23、計算每個波長間隔之相對光譜響應平均值 rS 。使用於此計算中之個別相對光譜響應值 irS 為相對光譜響應對(i)具有固定溫度之照射光或(ii)具有固定照射光之溫度的資料點。 參數 n 為資料點對每一個狀況之數目： nSSn1iirr= =(2) 依下式為已知具有固定溫度（或照射光）的波長間隔計算每一 資料點與平均值 rS 之差距irS ： ( )=ririrSSS(3) 依下式為已知具有固定溫度（或照射光）的波長間隔計算標準差 ： ()()2nS2ir=(4) 在特定偏移電壓與固定溫度（或照射光）的波長間隔下，用波長帶標準差與相對光譜響應平均值 rS 計算相對光譜響應之變異量百分值： 變異量百

24、分值 100 s / rS(5) 為每個波長間隔重覆上述步驟 (1)至 (4)： (i) 為每個固定溫度（照射光為變數） (ii) 為每個固定照射光（溫度為變數） (6) 為其他應用偏移電壓應重覆上述步驟 (1)至 (5)。 6.3 線性要求條件 當對一已知元件作成為線性之宣稱，亦應同時陳述其溫度、照射光與電壓之應用範圍或其他必要之狀況。非線性（變異量）可接受界限之要求條件為： (1) 短路電流對照射光之曲線，其斜率的正規化標準差（s /m）應小於 0.02。 8 CNS 13059-10 , C 6346-10 (2) 開路電壓對照射光對數之曲線，其斜率的正規化標準差 （s /m） 應小於 0.05。 (3) 開路電壓與短路電流對溫度之曲線，其斜率的正規化標準差（s /m）應小於 0.1。 (4) 為整個波長帶，在特定電壓時，其相對光譜響應之變異量應小於 5%。 相對應國際標準： IEC 904-10 Photovoltaic devices Part 10 : methods of linearity measurement