Introduktion: Varför solsimulatorkalibrering är viktig

Vid testning av solcellsmoduler börjar tillförlitlig mätning med en sak: en korrekt kalibrerad solsimulator. Om simulatorns uteffekt inte kontrolleras noggrant kan den uppmätta moduleffekten, strömmen och verkningsgraden avvika från det verkliga värdet. På en marknad där 500 W och moduler med högre effekt redan är vanliga, kan även ett fel på 0,5 % bli kommersiellt betydelsefullt.

En solsimulator är en anordning utformad för att återskapa solljus under kontrollerade laboratorieförhållanden. Den används ofta för prestandatestning av solcellsmoduler, särskilt under STC, eller Standard Test Conditions. Enkelt uttryckt är den den huvudsakliga ljuskällan bakom professionell elektrisk testning av solceller.

Figur 1 A+ A+ A+ solsimulator

Bildkälla: Internet

Bestrålningskalibrering under STC

För de flesta laboratoriekalibreringsarbeten är det första målet bestrålning. Under STC bör simulatorn justeras till 1000 W/m² med ett AM1.5G-spektrum och en celltemperatur på 25°C.

Inom solcellsindustrin används vanligtvis en WPVS-cell som Primär referensenhet. Kvalificerade metrologiinstitut som PTB eller NREL tillhandahåller den kalibrerade kortslutningsströmmen, eller Isc, för WPVS-cellen under AM1.5G och 1000 W/m² bestrålning. Detta kalibreringsvärde är spårbart till Internationella måttenhetssystemet, och dess osäkerhet kan vara så låg som cirka 0,5 %.

På grund av denna spårbarhet och stabilitet används WPVS-cellen ofta för att överföra ett kalibreringsvärde med låg osäkerhet till sekundära referensenheter.

Kalibrering av solsimulator på modulnivå handlar dock inte bara om att ställa in ett nummer i programvaran. Testområdet är stort, ofta omkring 2,6 m × 1,5 m eller till och med 3 m × 2 m. Innan slutlig justering av bestrålningsstyrkan bör bestrålningsfördelningen över testplanet mätas punkt för punkt. Enligt IEC 60904-9 bör testområdet för ojämnhet täcka minst 80 % av simulatorns testområde. Därefter kan medelbestrålningsstyrkan för hela testplanet beräknas och användas som grund för kalibrering.

Figur 2 WPVS-cell

Bildkälla: Internet

Övervakning av WPVS-referenscell: Små positionsfel har betydelse

Under kalibrering placeras WPVS-cellen vanligtvis på referenscellens position för att övervaka realtidsbestrålning under simulatorns drift. Strömsignalen från WPVS-cellen omvandlas till en spänningssignal via en förstärkare eller resistor och läses sedan av simulatorsystemet.

Kalibreringen slutförs genom att justera relevant programvaruparameter. Till exempel använder vissa Halm-simulatorer en kalibreringsvärdesinställning, medan vissa Pasan-system använder känslighetsinställningar. I vissa system tillhandahålls sambandet mellan ström och känslighet direkt som en omvandlingsformel.

Men det finns en lätt förbisedd detalj: referenscellen placeras ofta utanför huvudtestområdet. Bestrålningsstyrkan på den positionen kan vara lägre än medelbestrålningsstyrkan över modulens testplan. Om mätvärdet används direkt utan kompensation kan den faktiska bestrålningsstyrkan i modulens testområde bli för hög, vilket påverkar den uppmätta effekten.

Även om referenscellen placeras inuti testområdet försvinner inte problemet helt. För en A+-klassad simulator med ojämnhet under 1 % placeras referenscellen ofta nära kanten av testzonen. Detta kan fortfarande introducera en avvikelse på cirka 0,5 % till 1 %. Inom PV-testning är detta inte en liten siffra.

Temperaturen på referenscellen måste också kontrolleras nära 25°C. Även om temperaturkoefficienten för Isc vanligtvis är relativt liten, bidrar temperaturfluktuationer fortfarande till mätosäkerhet. Om precision är målet bör temperaturpåverkan minskas så mycket som möjligt.

Figur 3 Solsimulatorns testområde och referenscellens position

Kalibrering vid olika bestrålningsnivåer

WPVS-celler är inte bara stabila; de erbjuder också god linjäritet. Detta gör dem användbara för att kalibrera simulatorns bestrålning vid olika ljusintensitetsnivåer. Till exempel, om målbestrålningen är 200 W/m², kan det kalibrerade Isc-värdet vid 1000 W/m² multipliceras med 0,2 för att erhålla den förväntade referensströmmen.

För xenonlamp-solsimulatorer uppnås ofta stora bestrålningsförändringar med olika filter. Efter filterbyte rekommenderas att omätning av bestrålningsojämnhet görs, eftersom den optiska fördelningen kan ändras tillsammans med intensiteten.

Spektralkalibrering: Xenon- och LED-simulatorer

För xenonsolsimulatorer bestäms spektrumet huvudsakligen av lampkällan och optiska filter. I de flesta laboratorier kan spektrumet inte justeras fritt. Därför är den korrekta metoden att använda en kalibrerad spektrometer för att mäta spektrumet på flera positioner i testområdet. Enligt IEC 60904-4 krävs minst fyra mätpunkter.

Nyckeln är inte att få spektrumet att se perfekt ut på endast en plats, utan att bekräfta att simulatorn uppfyller den erforderliga spektralklassen över hela det relevanta testområdet.

Figur 4 Spektrala mätpositioner

LED-baserade solsimulatorer är mer flexibla. Deras spektrala fördelning kan vanligtvis justeras via programvara, vilket gör det lättare att uppfylla A+-spektralkraven i IEC 60904-9. Ändå bör den spektrala avvikelsen, som ofta diskuteras genom SPD-relaterad utvärdering, hållas så låg som möjligt.

En praktisk fråga är att LED-simulatorer normalt är byggda av flera LED-kretskort. Detta kan leda till märkbar spektral ojämnhet över testplanet. Av denna anledning är det bättre att mäta fler punkter istället för att bara förlita sig på minimikravet.

En annan viktig punkt: LED-simulatorer kan uppnå stora bestrålningsförändringar utan filter, men deras spektrum kan fortfarande ändras vid olika bestrålningsnivåer. När bestrålningsinställningen ändras avsevärt bör spektrumet kontrolleras igen istället för att antas vara oförändrat.

Sammanfattning: Kalibrering är grunden för PV-mätning

Kalibrering av solsimulator är en av grunderna för noggrann PV-modultestning. I laboratoriet är huvudsyftet att uppnå exakt mätning och sedan överföra högkvalitativa kalibreringsvärden till sekundära referensenheter.

I produktionslinjer kan kalibreringsstrategin vara annorlunda eftersom hastighet, repeterbarhet, utrustningsstabilitet och fabriksprocesskontroll alla blir en del av mätsystemet. Men grundprincipen förblir densamma: ljuskällan måste kontrolleras, verifieras och förstås.

Både irradianskalibrering och spektral mätning kräver noggrant arbete. Referenscellens position, testytans ojämnhet, filterbyten, LED-spektralfördelning och temperaturkontroll kan alla påverka det slutliga effektresultatet. Inom PV-testning förblir små fel inte små länge.

Ooitechs syn

Som utrustningsleverantör som arbetar med produktionslinjer för solmoduler ser Ooitech kalibrering av solsimulator inte som en engångsinställning, utan som en del av hela fabrikens kvalitetskontrollsystem. För högeffektiv modultillverkning måste IV-testaren och solsimulatorn matchas med tydliga kalibreringsrutiner, stabila referensenheter och praktisk operatörsutbildning; annars kanske laboratorieprecision inte överförs till produktionslinjens repeterbarhet. Den verkliga utmaningen är att balansera precision med daglig tillverkningseffektivitet, särskilt när avancerad modulteknik och högre effektklasser gör små mätavvikelser mer synliga.