CN102221669B

CN102221669B - 太阳能电池的量测系统和太阳光模拟器

Info

Publication number: CN102221669B
Application number: CN201010162004.1A
Authority: CN
Inventors: 施仁亲; 李思贤; 吴鸿森; 吴登峻; 梁玮耘; 陈震伟; 陈祀宏
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: CN102221669A

Abstract

本发明涉及太阳能电池的量测系统和太阳光模拟器。本发明提供了一种量测系统，其包含光源产生装置、支撑装置及量测装置。光源产生装置被建构以产生光源，该光源产生装置包含多种发出不同波长的发光二极管所组成，其中该光源产生装置的发光频谱符合预定规范。支撑装置被建构以置放待测物。量测装置被建构以量测该待测物受该光源照射后所产生的电流及电压大小。

Description

太阳能电池的量测系统和太阳光模拟器

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池的量测系统和太阳光模拟器。

背景技术

能源短缺的时代来临，因此太阳能模块无论在生产、制造、验证等各方面的市场将蓬勃发展。未来无论是在产线或验证单位，都需要具备太阳光模拟器的量测系统，因为太阳光模拟器无论在何时何地，都能提供稳定的光源。

太阳光模拟器是一种能够非常准确地重现阳光光谱分布的发光装置。太阳光模拟器对一些利用太阳能的产品的性能测试是不可或缺的，例如：太阳能电池转换效率的测试、和一些加速老化的测试等。因此，随着太阳能模块的需求日益蓬勃，使得太阳光模拟器的市场规模也逐渐加大。

太阳光模拟器的技术已经发展数十年了，市面上也有许多各式各样的产品，但大多是使用氙灯制作而成。这些产品均具有寿命短、价格昂贵等的缺点。一种以白炽灯与氙灯为组合光源的太阳光模拟器的现有技术，其模拟光源是利用滤波片滤掉氙灯的红外光，再加上白炽灯所发出的红外光。这样的组合，使其模拟光的频谱分布接近太阳光的实际光谱。但是这样的发光装置其机构复杂，且氙灯的寿命短、高耗电、价格高，使得使用上仍不够具有效益。

另一种也是使用氙灯为光源的闪光式太阳光模拟器的现有技术。此项装置能提供如闪光灯般地模拟太阳光闪光，使用一般的氙灯约可闪光10万次。除使用氙灯的缺点外，此装置无法用在可靠度测试上，例如加速老化实验或光浸润实验(light soaking test)，且进行太阳能模块测试时，必须在极短时间内完成测试，这样的装置会提高量测成本。

此外，一种现有量测方法其使用闪光式太阳光模拟器，搭配照度监控、电子负载等系统进行太阳能电池电性量测。该方法利用短波长脉冲的太阳光模拟器进行太阳能电池的电性量测。该太阳光模拟器的光源为脉冲形式，其闪光脉冲长度1～100ms。

发明内容

本发明提供了一种用于太阳能电池的量测系统。本发明的一个实施例揭示了一种量测系统，其包含光源产生装置、支撑装置及量测装置。光源产生装置被建构以产生光源，该光源产生装置包含多种发出不同波长的发光二极管，其中该光源产生装置的发光频谱符合预定规范。支撑装置被建构以置放待测物。量测装置被建构以量测该待测物受该光源照射后所产生的电流及电压大小。

本发明提供了一种太阳光模拟器，其包含散热系统、支撑装置、光源阵列及光学系统。该支撑装置被建构以置放待测物。该光源阵列附着于该散热系统且被建构以产生光源且该光学系统被建构以提高该光源阵列照射在该待测物上的均匀度；其中该光源阵列是由多种发出不同波长的发光二极管所构成，且该光源阵列的发光频谱符合预定规范。

本发明提供了一种太阳能电池老化测试系统，其包含散热系统、支撑系统、光源产生装置、照度量测装置和温度量测装置。该光源产生装置附着于该散热系统且被建构以产生光源，其中该光源产生装置包含多种发出不同波长的发光二极管，且该光源产生装置的发光频谱符合预定规范。该散热系统被建构以附着于光源产生装置。该支撑装置被建构以置放受该光源照射的待测物。此外，该照度量测装置被建构以监测该光源的照度，而该温度量测装置被建构以量测该待测物的温度。

附图说明

图1例示太阳能电池的量测系统；

图2例示LED阵列排列方式示意图；

图3例示稳定电流输出条件下的照度变化情形；

图4例示瞬间电流输出条件下的照度变化情形；

图5例示结合本发明的一个实施例的LED阵列元素的封装示意图；

图6例示结合本发明的一个实施例的负载元件的电路示意图；以及

图7例示结合本发明的另一实施例的负载元件的电路示意图。

【主要元件符号说明】

100 量测系统

101 光源产生装置

1011 散热鳍片

1012 光源阵列

1013 积分柱

1014 栅式积分柱

102 支撑装置

103 量测装置

1031 照度量测装置

1032 温度量测装置

1033 电流量测装置

1034 电压量测装置

104 直流电源供应装置

105 计算机系统

1051 数据撷取单元

1052 负载控制信号产生单元

1053 多频道控制信号产生单元

106 负载元件

107 待测物

108 侦测单元

109 温度感测单元

W 宽度

L 长度

d 深度

201-207 发光二极管

51-52 发光二极管

511-515 发光二极管芯片

521-524 发光二极管芯片

N₁-N₄ NMOS场效电晶体

R₁-R₄ 电阻

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种太阳能电池的量测系统。为了能彻底地了解本揭露，将在下列的描述中提出详尽的步骤及组成。显然地，本发明的施行并未限定于所属领域技术人员所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以专利范围为准。

根据本发明的一个实施例，图1例示太阳能电池的量测系统100。量测系统100包含光源产生装置101、支撑装置102、量测装置103、直流电源供应装置104及计算机系统105。光源产生装置101被建构以产生光源。该光源产生装置101所产生的光源符合IEC(InternationalElectrotechnical Commission)-60904-9ed2.0Class B、IEC-60904-9ed2.0Class A、JIS(Japanese Industrial Standard)C 8933:2005Class B或JIS C 8933:2005Class A的规范。该光源产生装置101是由多种发出不同波长的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)所组成。LED体积小，具有可阵列化的特性，若依IEC-60904规范的规格，选择出多种发出不同波长光的LED组合起来，不同于氙灯的单一光源组成的太阳光模拟器。由于不同种类LED具有不同的光形分布与发光强度，需要同时整合空间分布与光谱分布，使其符合规范中照度分布，如此便可组合出太阳光模拟器。LED阵列化后，除了加大照射面积外，也可提高LED的照度与均匀性，且阵列化的大小可随需要而定。与传统太阳光模拟器相比较，以LED作为太阳光模拟器的光源也让所需的光学机构变简单。除此之外，LED太阳光模拟器更具有低价、寿命长、省电等优势。根据本发明的一个实施例，图1中的光源产生装置101的发光频谱同时符合IEC-60904-9ed2.0Class A及JIS C 8933:2005Class A的规范。根据本发明的一个实施例，该光源产生装置101可在照射面上产生1000W/m²的照度。根据本发明的一个实施例，该光源产生装置101包含光源阵列1012，该光源阵列1012为具有单面电路的铝基板，其电路面焊接LED，另一面附着于散热系统，例如散热鳍片1011上，其中该光源阵列1012由7种发出不同波长的发光二极管所组成，但本发明并不以此为限。光源产生装置101所产生光源的光频谱范围约为0.3～1.1微米。此外，该光源产生装置101亦包含积分柱1013，其构造为四面反射镜所组成，反射镜可选用平面镜或压花镜面铝板，由此让光源阵列1012发出的各种不同波长的光线得以充分混光，提高所产生光源在照射面或待测物上的均匀度。利用积分柱可使光源在照射面上的均匀度达到IEC-60904Class A或JIS C 8933:2005Class A的规范标准。光源产生装置101选自一个积分柱1013、一个栅式积分柱1014及其组合构成的群，光源产生装置101被建构以提高光源的均匀度。参照图1，该积分柱更可组合栅式积分柱1014。使用该栅式积分柱1014可以加强不同种类LED的混光效果，其可减少积分柱1013的深度d，并可再次提高光源的均匀度。

图1中的支撑装置102被建构以置放待测物107，该支撑装置可连接温控装置(未绘出)，以控制其表面温度，使该待测物107保持固定温度。此外，该支撑装置102可配合输送带(未绘出)，在该待测物107的检测完成之后自动更换下一片待测物。此外，该支撑装置102可配合升降平台(未绘出)，调整待测物107与光源产生装置101的距离。根据本发明的一个实施例，该待测物107为太阳能电池(Solar Cell)。量测装置103包含电压量测装置1034和电流量测装置1033，用以量测该待测物107受该光源照射后所产生的电流及电压大小，进而取得该待测物107的I-V特性曲线。此外，根据本发明的一个实施例，该量测装置103包含负载元件106(例如，电阻、可变电阻、电阻阵列、电晶体、场效电晶体、或电子负载)，该负载元件106的负载大小可为定值，或由手动调整，亦可经由程序控制其负载大小。直流电源供应装置104具有7个驱动频道(Channel)，其可提供稳定的电流或是瞬间电流以驱动该7种发出不同波长的发光二极管，进而控制该光源产生器101所产生的光源的强度或光频谱，若某些种类的发光二极管需求的电流值相近，可以串联该不同种类的发光二极管，以减少直流电源供应所需的频道数目，进而降低成本。

参照图1，该量测装置103包含照度量测装置1031，其用以量测位于该支撑装置102上的侦测单元108所接收光源的照度。该量测装置103还包含温度量测装置1032，其用以量测贴附于该待测物107下方的温度感测单元109的温度。根据本发明的一个实施例，该计算机系统105包含数据撷取单元1051、负载控制信号产生单元1052和多频道控制信号产生单元1053。使用者可以通过计算机系统105中的程序控制不同单元的动作及数据的撷取。举例而言，该多频道控制信号产生单元1053用以控制直流电源供应装置104，从而以适当调整光源产生器101所产生的光源的强度、光频谱分布及发光时间。或者，在光源输出时，通过控制负载控制信号产生单元1052以改变负载106的负载大小。在负载变换之后，经由数据撷取单元1051撷取电流、电压、照度、温度等数据，重复变换不同负载大小与数据撷取动作，以量测待测物在不同负载条件或不同照度时的特性，但本发明并不以此为限。

换言之，光源产生装置101要为量测太阳能电池之用，则必须符合太阳光模拟器的相关规范，例如：IEC-60904或JIS规范。从规范中的光频谱照度表可得知，太阳光模拟器需在特定波长区段中发出相当照度的光。根据本发明的一个实施例，图2例示光源产生装置101所使用的LED阵列200的排列方式示意图。该LED阵列200包含多个阵列元素21～29。每一阵列元素包含多个发出不同波长的发光二极管。在本发明的一个实施例中，每一阵列元素至少包含一颗含有萤光粉的发光二极管。在本发明的另一实施例中，阵列元素21包含主波长在300～400纳米的发光二极管201、主波长在400～500纳米的发光二极管202、主波长在500～600纳米的发光二极管203、主波长在600～700纳米的发光二极管204、主波长在700～800纳米的发光二极管205、主波长在800～900纳米的发光二极管206及主波长在900～1100纳米的发光二极管207，其中该发光二极管204包含蓝光LED芯片与萤光粉，该萤光粉经由蓝光激发后发光的频谱范围约为500～700纳米。根据本发明的一个实施例，所选用的发光二极管201的主波长为395纳米；发光二极管202的主波长为465纳米；发光二极管203的主波长为510纳米；发光二极管204的主波长为615纳米；发光二极管205的主波长为740纳米；发光二极管206的主波长为850纳米；发光二极管207的主波长为940纳米。因此，即可通过直流电源供应装置104控制各LED电流大小来调配每个LED的发光强度，以产生照射该待测物的光源。根据本发明的一个实施例，LED阵列元素21所涵盖的面积大小为W与L的乘积，该面积约可介于1cm²～50cm²。图2所揭示的LED阵列200的周期性排列方式并非唯一。LED阵列的最佳排列组合方式是根据LED外型、不同波长的LED的照度、积分柱形状等因素的综合考量，来组合出混光效果均匀和达到规范要求的LED阵列。举例而言，LED阵列元素21可由一颗主波长为395纳米的发光二极管201、一颗主波长为465纳米的发光二极管202、一颗主波长为510纳米的发光二极管203、两颗主波长为615纳米的发光二极管204、一颗主波长为740纳米的发光二极管205、一颗主波长为850纳米的发光二极管206和两颗主波长为940纳米的发光二极管207所组成。

本发明的直流电源供应装置104，除了可提供LED稳定的电流输出，也可以通过开关方式提供类似方波状的瞬间电流，使LED在短时间内发光，其可达成达数百毫秒以上的闪光操作的功效。此外，亦可通过改变驱动电流大小而形成不同的照度，以量测太阳能电池在不同照度下的变化。依据IEC 60891的演算方法，可通过量测不同照度条件下的太阳能电池特性，推算该太阳能电池等效模型的串联电阻值(R_s)。根据本发明的一个实施例，图3例示阶梯状的电流输出条件下的照度变化情形，由此可快速测定待测物于500W/m²与1000W/m²照度下的电流-电压曲线(IV curve)。根据本发明的另一实施例，图4例示瞬间电流输出条件下的照度变化情形，通过不同大小的方波状电流可使太阳光模拟器产生不同强度的照度，由此可以快速测定待测物在200W/m²、500W/m²与1000W/m²照度条件下的电流-电压曲线，并推算出该电池的串联电阻值，但本发明并不以此为限。

此外，将多种不同波长的LED芯片封装于同一颗LED中，可以增加LED芯片摆放的密度，减少LED使用的颗数，亦可以提高混光效果。图5例示结合本发明的另一实施例的LED阵列元素21～29的封装示意图，其中该阵列元素21中包含两颗发光二极管51和52。该发光二极管51包含五颗多芯片封装的LED芯片511～515，其中LED芯片511的发光波长为395纳米、LED芯片512的发光波长为465纳米、LED芯片513的发光波长为510纳米且LED芯片514和515的发光波长为615纳米。该发光二极管52包含四颗多芯片封装的LED芯片521～524，其中LED芯片521的发光波长为740纳米、LED芯片522的发光波长为850纳米且LED芯片523和524的发光波长为940纳米。目前LED封装技术分为两大类，覆晶(flip-chip)技术与打线(wire-bond)技术。在本实施例中，发光二极管51所包含的芯片511～515皆为覆晶封装，而发光二极管52所包含的芯片521～524皆为打线封装，但本发明并不以此为限。

此外，本发明的LED太阳能电池量测系统亦可用于量测太阳能电池的分光频谱响应(spectrum response)，其操作方法为，先量测太阳能电池在标准条件下的短路电流值，再微幅降低某一种类发光二极管的照度，例如降低主波长为465纳米的发光二极管202的照度，再进行相同量测，即可获知该太阳能电池在波长465纳米约略的分光频谱响应值。以此类推，本实施例中使用7种不同波长的LED，即可获得分光频谱响应曲线(Y轴电流-X轴波长)中的7个数据点，使用越多不同波长LED的太阳光模拟器，即可获取越精确的分光频谱响应曲线，但本发明并不以此为限。

图6例示结合本发明的一个实施例的负载元件106的电路示意图。在本实施例中，该负载元件106是由一NMOS场效电晶体N₁所实现。参照图6，该计算机系统105内的负载控制程序输出信号至该负载控制信号产生单元1052以产生控制信号。通过该控制信号，该NMOS场效电晶体N₁的阻抗可以被调整。图7例示结合本发明的另一实施例的负载元件106的电路示意图。在本实施例中，该负载元件106是由多个NMOS场效电晶体N₁～N₄串联多个电阻R₁～R₄所实现。参照图7，该计算机105内的该负载控制程序输出信号至该负载控制信号产生单元1052以产生多个控制信号S₁～S₄。通过所述控制信号R₁～R₄，所述NMOS场效电晶体R₁～R₄可被选择性地导通，使得该负载元件106的等效串联阻抗可被选择性地调整，串联越多组NMOS场效电晶体与电阻，可提升负载元件106的阻抗切换范围，但本发明并不以此为限。

纵上所述，本发明的太阳能电池的量测系统，其照射光源不需通过滤光片的更换即可模拟不同条件下的太阳光谱，例如，黄昏、清晨时不同的光谱分布，且通过多通道直流电源供应装置可随时调整输出光的强度，进而取得不同照度或光谱条件下太阳能电池的特性。一般使用氙灯的量测系统，其光源可分为两大类，闪光式与稳态，因技术不同，需分开购置。本发明量测系统所使用的光源产生装置，可以进行适合用于太阳能电池效率量测的闪光操作，也可以进行适合用于太阳能电池老化或温度测试的稳态操作，进而减少分开购置的成本。本发明的LED太阳光模拟器亦可用于光浸润(light soaking)实验，进行太阳能电池的老化试验，实验中需量测照度与待测物的温度，进行长时间的照射。本发明的太阳能电池量测系统亦可用于量测太阳能电池的分光频谱响应，光源产生装置101使用越多种不同波长的LED，可以更精确的量测分光频谱响应。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域的普通技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求范围所涵盖。

Claims

1.一种量测系统，包含：

光源产生装置，被建构以产生光源，该光源产生装置包含多种发出不同波长的发光二极管，其中该光源产生装置的发光频谱符合预定规范；

支撑装置，被建构以置放待测物；以及

量测装置，被建构以量测该待测物受该光源照射后的电气特性，

其中该光源产生装置还包含一个积分柱阵列以提高该光源的均匀度。

2.根据权利要求1所述的量测系统，其还包含直流电源供应装置，该直流电源供应装置具有多个驱动频道，其用以驱动该多种发出不同波长的发光二极管及控制该光源的强度或光频谱。

3.根据权利要求1所述的量测系统，其还包含照度量测装置，其被建构以量测该光源的照度。

4.根据权利要求1所述的量测系统，其还包含温度量测装置，其被建构以量测该待测物的温度。

5.根据权利要求1所述的量测系统，其中该待测物为太阳能电池。

6.根据权利要求1所述的量测系统，其中该量测装置包含负载元件，该负载元件的负载大小可调整。

7.根据权利要求1所述的量测系统，其中该多种发出不同波长的发光二极管的主波长选自300～400纳米、400～700纳米、700～1100纳米及其组合构成的群。

8.根据权利要求1所述的量测系统，其中该预定规范是IEC-60904-9 ed2.0 Class C、JIS C 8933:2005 Class C、IEC-60904-9 ed2.0Class A、IEC-60904-9 ed2.0 Class B、JIS C 8933:2005 Class A或JIS C 8933:2005 Class B。

9.根据权利要求1所述的量测系统，其中该电气特性包含太阳能电池的电流和电压特性。

10.根据权利要求1所述的量测系统，其中该光源产生装置包含光源阵列，该光源阵列包含至少五种发出不同波长的发光二极管。

11.根据权利要求1所述的量测系统，其中该光源产生装置约可产生100～2000W/m²的照度。

12.根据权利要求1所述的量测系统，其中该光源产生装置包含光源阵列，该光源阵列是由多个阵列元素所构成，每一阵列元素包含一颗多芯片封装的发光二极管，且该颗多芯片封装的发光二极管包含多种不同主波长的发光二极管芯片。

13.根据权利要求1所述的量测系统，其中还包含温度控制装置，用于控制该待测物的温度。

14.一种太阳光模拟器，包含：

散热系统；

支撑装置，被建构以置放待测物；

光源阵列，附着于该散热系统且被建构以产生光源；以及

光学系统，被建构以提高该光源阵列照射在该待测物上的均匀度；

其中该光源阵列包含多种发出不同波长的发光二极管，且该太阳光模拟器的发光频谱符合预定规范，

其中该光源产生装置包含光源阵列，该光源阵列包含至少五种发出不同波长的发光二极管，以及

其中该光源阵列是由多个阵列元素所构成，且每一阵列元素的面积大小约为1cm²～50cm²，该光源产生装置还包含一个积分柱阵列，以提高该光源的均匀度。

15.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该待测物为太阳能电池。

16.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该散热系统选自一个金属基板电路板、一个陶瓷基板电路板、一个散热鳍片及其组合构成的群。

17.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该光学系统还包含一个积分柱，该光学系统被建构以提高该光源的均匀度。

18.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中所述发光二极管的排列方式为周期性排列。

19.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该多种发出不同波长的发光二极管的主波长选自300～400纳米、400～700纳米、700～1100纳米及其组合构成的群。

20.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该预定规范是IEC-60904-9 ed2.0 Class C、JIS C 8933:2005 Class CIEC-60904-9 ed2.0 Class B或Class A，或JIS C 8933:2005 Class B或ClassA。

21.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该光源阵列约可产生100～2000W/m²的照度。

22.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该光源阵列是由多个阵列元素所构成，每一阵列元素包含一颗多芯片封装的发光二极管，且该颗多芯片封装的发光二极管包含多种不同主波长的发光二极管芯片。

23.根据权利要求14所述的太阳光模拟器，其中该光源阵列是由多个阵列元素所构成，每一阵列元素至少包含一颗含有萤光粉的发光二极管。

24.一种太阳能电池老化测试系统，包含：

散热系统，被建构以附着于该光源产生装置；

支撑装置，被建构以置放受该光源照射的待测物；

照度量测装置，被建构以监测该光源的照度；以及

温度量测装置，被建构以量测该待测物的温度，

25.根据权利要求24所述的太阳能电池老化测试系统，其还包含直流电源供应装置，该直流电源供应装置具有多个驱动频道，其用以驱动该多种发出不同波长的发光二极管及控制该光源的强度或光频谱。

26.根据权利要求24所述的太阳能电池老化测试系统，其中该预定规范是IEC-60904-9 ed2.0 Class C、JIS C 8933:2005 Class C、IEC-60904-9 ed2.0 Class A、IEC-60904-9 ed2.0 Class B、JIS C 8933:2005 Class A或JIS C 8933:2005Class B。

27.根据权利要求24所述的太阳能电池老化测试系统，其中该光源产生装置包含光源阵列，该光源阵列是由多个阵列元素所构成，每一阵列元素包含至少五种发出不同波长的发光二极管。

28.根据权利要求24所述的太阳能电池老化测试系统，其中该光源产生装置约可产生100～2000W/m²的照度。

29.根据权利要求24所述的太阳能电池老化测试系统，其中该光源阵列是由多个阵列元素所构成，每一阵列元素包含一颗多芯片封装的发光二极管，且该颗多芯片封装的发光二极管包含多种不同主波长的发光二极管芯片。