[科普中国]-标准太阳电池

标准太阳电池的要求范围

规定了晶体硅标准太阳电池的分类、选择、封装、标志、标定及维护的要求。

概述标准太阳电池是专门标定过的太阳电池，它通过标准太阳光谱辐照度分布来测量辐照度或设定太阳模拟器辐照度。

—— 一级标准太阳电池：以与标准世界辐射计基准(W.R.R)相一致的辐射计或标准检测器为基准标定的标准太阳电池。

—— 二级标准太阳电池：在自然或模拟太阳光下，对照一级标准太阳电池标定的标准太阳电池。

选择至少选两片太阳电池做标准太阳电池的标定用。所选择的太阳电池的光谱响应应使在其将来的电性能测量中，由于光谱响应的失配引起的误差小于±1%。光潜失配误差应按将要出版的有关IEC标准规定的方法计算。

标准太阳电池应为稳定的器件，即它们的光伏特性变化值应不大于其初始标定值的5%。

温度测量测量标准太阳电池结温的方法应使测量准确度达到±1℃。

电气连接与标准太阳电池的电连接应由四线接触方式(Kelvin探针)组成。

标定每一片标准太阳电池都应经过标定，在25℃±2℃以在标准光谱辐照度分布下每单位辐照度的短路电流值来表示。

数据单每次标定标准太阳电池时，数据单中应记录下列内容：

识别号；类型(一级或二级)；电池制造厂；材料类型；封装类型；标定机构；标定地点和日期；标定方法(参照标准)；辐射计或标准灯的特性；一级标准太阳电池识别号；模拟器特性；温度传感器的类型；相对光谱响应；短路电流的温度系数；标准测试条件(S. T. C.)下的标定值；准确度要求。

标志每片标准太阳电池都应带有清晰又不易擦掉的识别号，以便查找相应的数据单。

封装自然太阳光下测量

在自然太阳光下测量时，标准太阳电池和被测样品(电池、电池组合条、组件)对入射辐射的几何分布的变化应具有相同的响应。

为此，在测量多片电池封装而又非法线入射的情况下，标准电池应封装在一个多个电池封装的单元内，这时，框架、封装材料与封装方式、标准电池周围电池的形状、尺寸和排布应与被测组件相同。排布在标准太阳电池周围的，可以是真实的电池，也可以是具有相同光学特性的模拟电池。

太阳模拟器下测量

某些太阳模拟器在被测样品与模拟器之间存在光的多次反射，测量面的辐照度可能会因被测样品是否在测量面上而有所变化。

因此，为了准确地测定样品在测试面上时的辐照度，在这种模拟器下使用的标准太阳电池应与被测样品的封装方式相同，以使因多次反射而引起的辐照度变化对标准电池和被测样品而言是相同的。

在太阳模拟器下测量时，为了能反映由多次反射而引起的任何轻微误差，标准太阳电池应单独封装；或者在不经常使用的情况下，将标准太阳电池不加封装地安装在温度控制块上。

另外，还要遵守在自然太阳光下测量时对标准太阳电池所规定的要求。

单个电池封装

在需要使用单个封装电池时，建议：视角至少为160°。电池视角范围内封装表面应具有不反射特性，在电池光谱响应的波长范围内，吸收至少达到0.95。贴电池所用的材料在电气性能和光学性能方面不应衰降，其物理特性在规定的使用期间内应保持稳定。建议使用保护窗口，如果标准太阳电池用于标定或在总辐射太阳光下使用，窗口和电池之间的空间应填充稳定而透明的封装材料。封装材料的折射率应与窗口材料的折射率相近(在10%以内)，以使在大入射角时，内部反射光引起的误差减到最低。封装材料的透明度，完整性和粘着性都不应受紫外光和工作温度的影响而变坏。

标准太阳电池的标定标准太阳电池常用于将太阳模拟器的光强设置到标准辐照度条件下，这样做是为了能在标准电池和被测电池光谱响应近似相等的情况下确定太阳电池的性能。如果太阳电池的标定是在空间进行的，那么这种方法就称为空间标定;如果在地面使用自然光或室内模拟光进行的，那么这种方法就称为综合标定法。由于空间标定或综合法标定的标准电池非常珍贵，因此，在工业或实验室的日常性能测试中通常使用所谓的二级工作标准太阳电池来进行校准2。

一级标准太阳电池的标定标定方法和标定实施都应达到高水平，准确度在±n%以内(n：待定)。注：准确度(按ISO标准所采用的)取决于标定所用的方法，然而重复性能够达到±1%。

二级标准太阳电池的标定应在自然太阳光或太阳模拟器光源下，以一级标准太阳电池为基准对二级标准太阳电池进行标定。一级和二级标准太阳电池的光谱响应应相互匹配，使得在标定所用的光照下光谱失配误差小于±1%，失配误差计算方法按有关IEC标准规定(在考虑中)。

**自然太阳光：**应在下列条件下完成自然太阳光下太阳电池的标定，晴朗、太阳光充足的天气，散射辐射不大于总辐射的25%。太阳周围半角30范围内无明显云层。由一级标准太阳电池测得的总辐照度(直接辐照度、天空辐照度和地面反射辐照度之和)不小于800 。大气质量在AM1和AM2之间。太阳辐照充分稳定，在一次测量时间内标准太阳电池的短路电流变化小于±0.5%。

**太阳模拟器：**如用模拟太阳光进行标定，模拟器应为IEC有关标准规定的A级太阳模拟器(在考虑中)。

**标定程序：**标定之前，测量二级标准太阳电池的相对光谱响应和短路电流温度系数，采用有关IEC标准规定的程序(在考虑中)。将一级、二级标准太阳电池安装在同一个平面内并尽量靠在一起，连接电流和温度测量仪器。如有可能，控制电池温度在25℃±2℃，若不能控温，应设法在两次测量的间隙遮住电池(对脉冲式太阳模拟器不必遮挡)。调整安装架，使太阳光线或太阳模拟器光束的中心线与电池表面线在±5°之内。同时记录两种类型的标准太阳电池的短路电流和温度。重复上述步骤直到连续得到5组数据，它们的短路电流之比(修正到25 ℃)变化不大于±1%。在自然太阳光标定时，用不少于三天的时间重复上述步骤。由测得的可接受的数据，计算平均比值：25℃时，二级标准太阳电池的短路电流/25℃时，一级标准太阳电池的短路电流。将一级标准太阳电池的标定值乘以计算的平均比值得到二级标准太阳电池的标定值。

航天用标准太阳电池的标定方法目前，各国航天器上实际应用的都是单晶硅太阳电池，航天用标准太阳电池的样品也首先选用单晶硅太阳电池3。

**地面自然阳光下光谱法标定：**欧洲空间局获得AMO标准太阳电池的主要方法是在马尔他岛自然阳光下进行光谱法标定。

**高空气球标定：**美国航宇局获得AMO标准太阳电池的方法，主要是喷气推进实验室已经使用了二十多年的高空气球标定。

**卫星和航天飞机标定：**AMO标准太阳电池的直接标定方法，是在卫星和航天飞机上进行的。国外已多次进行卫星标定实验，但是标准太阳电池不能回收，所以只能用来校验其他方法标定的结果。卫星标定结果的精度主要取决于遥测系统的精度，目前已达到1.0%以内。航天飞机的使用是航天运载工具的重大革新，也为太阳电池标定提供了理想条件。这样，电池可以直接在AMO阳光下标定，标准片又能收回。航天飞机标定结果至今尚未见公布，但据悉，1983年用航天飞机发射的欧洲“空间实验室”中将有太阳电池标定的项目3。

航天用标准太阳电池标定的目的太阳电池在航天器上应用，必须布置在航天器外壳或专用太阳电池翼板上，因此，太阳电池能源系统设计，与航天器的结构、姿控、温控等分系统有直接关系，而且决定了有效仪器正常工作的寿命。可以说，太阳电池能源系统设计的精确度和可靠性是航天器设计精确度和可靠性的基础3。

设计太阳电池能源系统时，需要掌握太阳电池在地球大气层外AMO(空气质量为0)标准阳光条件下的性能参数。将大量太阳电池送到地球大气层外去测试，显然是不现实的，因此在太阳电池测试中，必须解决在地面上复现AMO标准阳光条件的间题。由于地球大气的吸收，到达地球表面上的太阳光的光谱分布和总辐照度是与地球大气层外大不相同的。然而，太阳电池是对入射光源的光谱分布有选择性吸收的器件，也就是说，具有光谱响应特性。所以，即使总照度相同，但光谱分布不同的光源照在太阻电池上，也会产生不同的电功率3。

在航天器设计中,规定取日一地平均距离处的太阳光谱分布和总辐照度(亦即太阳常数)为AMO标准阳光条件。航天用标准太阳电池应具有AMO标准阳光条件下的性能参数,为获得标准电池在AMO标准阳光下的参数而作的实验,就称为航天用标准太阳电池的标定。航天用标准太阳电池的用途是校准太阳电池的测试光源,通常使用AMO光谱的太阳模拟器做光源。其办法是在AMO太阳模拟器下,用标准太阳电池的短路电流输出监视光源,当调节太阳模拟器,使标准太阳电池的短路电流等于在AMO标-准阳光条件下的值时,就可以认为该太阳模拟器复现了AMO标准阳光条件。此时,即可测试太阳电池单体、太阳电池组合、太阳电池阵或航天器的光一电输出特性。标准测试的太阳电池温度应保持恒定，美国规定的温度为28℃，西欧规定的为25℃，如果被测太阳电池与标准太阳电池具有相同的光谱响应特性，那么可以用上面办法调节其他光源(如卤族一钨灯)，即用等效光强方法复现AMO标准阳光条件3。

由此可见，标准太阳电池是测试太阳电池单体、太阳电池组合以及太阳电池阵光-伏性能的基准。太阳电池标定的目的是为航天器设计提供精确而可靠的设计参数，因此，世界各国宇航部门都非常重视太阳电池的标定，二十多年来一直在进行这项工作。例如，美国航宇局的刘易斯航天中心、马歇尔航天中心、喷气推进实验室，欧洲空间局的欧洲空间研究与技术中心、英国皇家飞机公司、法国空间技术中心等，都根据自己的特点，开展了气球、火箭、卫星以及地面实验标定等工作。航天用标准太阳电池的标定精度现已达到1.0%以内3。

标准太阳电池的维护应保持标准太阳电池的封装窗口清洁，避免划痕。应防止无封装的标准太阳电池遭受损伤、污染或衰变。经常使用的标准太阳电池的标定值应至少一个月校对一次，在同一个辐照度下比较它们的短路电流。如果短路电流之比的变化值超出±1%，应重新对这些电池进行标定。所有的标准太阳电池至少每12个月重新标定一次。

太阳电池标准与标定的前景八十年代的实用通信、导航、气象、地球资源、科学探测和军用卫星等要求太阳电池阵的供电功率达2~25千瓦。未来航天器将向大功率、长寿命、多功能、高精度和高可靠性方向发展，这对太阳电池能源系统的设计精度和可靠性也提出了更高的要求。能源短缺已成为世界各国普遍关注的间题，而太阳能是理想的能源，太阳电池则被认为是无限而洁净的能源。然而在地面上，由于风、云、雨、雾以及昼夜交替的影响，太阳能不能得到充分利用。随着航天事业的发展，未来的太阳发电卫星以及空间城将具有面积达几百平方公里以上的巨大太阳电池阵，可向地球提供儿千兆瓦的电功率。因此，人类在能源问题上的重大突破寄托于航天技术的发展。这一方面要求研制新型太阳电池，满足大规模发电的需要，另一方面要求对各种太阳电池做标准片的标定实验，以满足对太阳电池标准的精度与可靠性的要求。因此，太阳电池的标准化和太阳电池标定将伴随太阳电池的研制、生产、使用而发展，而且是航天技术中一个一长期的课题3。