TWI397708B - 太陽能電池之量測系統和太陽光模擬器 - Google Patents
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Description
本揭露係關於一種太陽能電池之量測系統和太陽光模擬器。
能源短缺的時代來臨,因此太陽能模組無論在生產、製造、驗證等各方面的市場將蓬勃發展。未來無論是在產線或驗證單位,都需要具備太陽光模擬器之量測系統,因為太陽光模擬器無論在何時何地,都能提供穩定的光源。
太陽光模擬器是一種能夠非常準確地重現陽光光譜分佈之發光裝置。太陽光模擬器對一些利用太陽能的產品之性能測試是不可或缺的,例如:太陽能電池轉換效率的測試、和一些加速老化的測試等。因此,隨著太陽能模組的需求日益蓬勃,使得太陽光模擬器的市場規模也逐漸加大。
太陽光模擬器的技術已經發展數十年了,市面上也有許多各式各樣的產品,但大多是使用氙燈製作而成。該些產品均具有壽命短、價格昂貴等的缺點。一種以白熾燈與氙燈為組合光源的太陽光模擬器之先前技術,其模擬光源是利用濾波片濾掉氙燈之紅外光,再加上白熾燈所發出之紅外光。這樣的組合,使其模擬光之頻譜分佈接近太陽光之實際光譜。但是這樣的發光裝置其機構複雜,且氙燈之壽命短、高耗電、價格高,使得使用上仍不夠具有效益。
另一種也是使用氙燈為光源的閃光式太陽光模擬器之先前技術。此項裝置能提供如閃光燈般地模擬太陽光閃光,使用一般之氙燈約可閃光10萬次。除使用氙燈之缺點外,此裝置無法用在可靠度測試上,例如加速老化實驗或光浸潤實驗(light soaking test),且進行太陽能模組測試時,必須在極短時間內完成測試,這樣的裝置會提高量測成本。
此外,一種習知量測方法其使用閃光式太陽光模擬器,搭配照度監控、電子負載等系統進行太陽能電池電性量測。該方法利用短波長脈衝的太陽光模擬器進行太陽能電池的電性量測。該太陽光模擬器之光源為脈衝形式,其閃光脈衝長度1~100ms。
本揭露揭示一種用於太陽能電池之量測系統。本揭露之一實施範例揭示一種量測系統,其包含一光源產生裝置、一支撐裝置及一量測裝置。光源產生裝置被建構以產生一光源,該光源產生裝置包含複數種發出不同波長之發光二極體,其中該光源產生裝置之發光頻譜符合一預定規範。支撐裝置被建構以置放一待測物。量測裝置被建構以量測該待測物受該光源照射後所產生之電流及電壓大小。
本揭露揭示一種太陽光模擬器,其包含一散熱系統、一支撐裝置、一光源陣列及一光學系統。該支撐裝置被建構以置放一待測物。該光源陣列附著於該散熱系統且被建構以產生一光源且該光學系統被建構以提高該光源陣列照射在該待測物上之均勻度;其中該光源陣列係由複數種發出不同波長之發光二極體所構成,且該光源陣列之發光頻譜符合一預定規範。
本揭露揭示一種太陽能電池老化測試系統,其包含一散熱系統、一支撐系統、一光源產生裝置、一照度量測裝置和一溫度量測裝置。該光源產生裝置附著於該散熱系統且被建構以產生一光源,其中該光源產生裝置包含複數種發出不同波長之發光二極體,且該光源產生裝置之發光頻譜符合一預定規範。該散熱系統被建構以附著於光源產生裝置。該支撐裝置被建構以置放一受該光源照射之待測物。此外,該照度量測裝置被建構以監測該光源之照度,而該溫度量測裝置被建構以量測該待測物之溫度。
本揭露在此所探討的方向為一種太陽能電池之量測系統。為了能徹底地瞭解本揭露,將在下列的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然地,本揭露的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面,眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中,以避免造成本揭露不必要之限制。本揭露的較佳實施例會詳細描述如下,然而除了這些詳細描述之外,本揭露還可以廣泛地施行在其他的實施例中,且本揭露的範圍不受限定,其以之後的專利範圍為準。
根據本揭露之一實施範例,圖1例示一太陽能電池之量測系統100。量測系統100包含一光源產生裝置101、一支撐裝置102、一量測裝置103、一直流電源供應裝置104及一電腦系統105。光源產生裝置101被建構以產生一光源。該光源產生裝置101所產生之光源符合IEC(International Electrotechnical Commission)-60904-9 ed2.0 Class B、IEC-60904-9 ed2.0 Class A、JIS(Japanese Industrial Standard)C 8933:2005 Class B或JIS C 8933:2005 Class A之規範。該光源產生裝置101係由複數種發出不同波長之發光二極體(Light Emitting Diode,LED)所組成。LED體積小,具有可陣列化的特性,若依IEC-60904規範之規格,選擇出複數種發出不同波長光之LED組合起來,不同於氙燈之單一光源組成的太陽光模擬器,由於不同種類LED具有不同的光形分佈與發光強度,需要同時整合空間分佈與光譜分佈,使其符合規範中照度分佈,如此便可組合出一太陽光模擬器。LED陣列化後,除加大照射面積外,也可提高LED之照度與均勻性,且陣列化之大小可隨需要而定。與傳統太陽光模擬器相比較,以LED作為太陽光模擬器之光源也讓所需之光學機構變簡單。除此之外,LED太陽光模擬器更具有低價、壽命長、省電等優勢。根據本揭露之一實施範例,圖1中之光源產生裝置101之發光頻譜係同時符合IEC-60904-9 ed2.0 Class A及JIS C 8933:2005 Class A之規範。根據本揭露之一實施範例,該光源產生裝置101可在照射面上產生1000W/m2
之照度。根據本揭露之一實施範例,該光源產生裝置101包含一光源陣列1012,該光源陣列1012為一具有單面電路之鋁基板,其電路面焊接LED,另一面附著於一散熱系統,例如一散熱鰭片1011上,其中該光源陣列1012由7種發出不同波長之發光二極體所組成,但本揭露並不以此為限。光源產生裝置101所產生光源之光頻譜範圍約為0.3~1.1微米。此外,該光源產生裝置101亦包含一積分柱1013,其構造為四面反射鏡所組成,反射鏡可選用平面鏡或壓花鏡面鋁板,藉此讓光源陣列1012發出的各種不同波長的光線得以充分混光,提高所產生光源在照射面或待測物上的均勻度。利用積分柱可使光源在照射面上的均勻度達到IEC-60904 Class A 或JIS C 8933:2005 Class A之規範標準。參照圖1,該積分柱更可組合一柵式積分柱1014。使用該柵式積分柱1014可以加強不同種類LED的混光效果,其可減少積分柱1013之深度d,並可再次提高光源之均勻度。
圖1中之支撐裝置102係被建構以置放一待測物107,該支撐裝置可連接一溫控裝置(未繪出),以控制其表面溫度,使該待測物107保持一固定溫度。此外,該支撐裝置102可配合一輸送帶(未繪出),在該待測物107的檢測完成之後自動更換下一片待測物。此外,該支撐裝置102可配合一升降平台(未繪出),調整待測物107與光源產生裝置101之距離。根據本揭露之一實施範例,該待測物107為一太陽能電池(Solar Cell)。量測裝置103包含一電壓量測裝置1034和一電流量測裝置1033,用以量測該待測物107受該光源照射後所產生之電流及電壓大小,進而取得該待測物107之I-V特性曲線。此外,根據本揭露之一實施範例,該量測裝置103包含一負載元件106(例如,電阻、可變電阻、電阻陣列、電晶體、場效電晶體、或電子負載),該負載元件106之負載大小可為定值,或由手動調整,亦可經由程式控制其負載大小。直流電源供應裝置104具有7個驅動頻道(Channel),其可提供穩定的電流或是瞬間電流以驅動該7種發出不同波長之發光二極體,進而控制該光源產生器101所產生之光源之強度或光頻譜,若某些種類的發光二極體需求的電流值相近,可以串聯該不同種類之發光二極體,以減少直流電源供應所需的頻道數目,進而降低成本。
參照圖1,該量測裝置103包含一照度量測裝置1031,其用以量測位於該支撐裝置102上的一偵測單元108所接收光源之照度。該量測裝置103另包含一溫度量測裝置1032,其用以量測貼附於該待測物107下方之一溫度感測單元109的溫度。根據本揭露之一實施範例,該電腦系統105包含一資料擷取單元1051、一負載控制信號產生單元1052和一多頻道控制信號產生單元1053。使用者可以藉由電腦系統105中的程式控制不同單元之動作及資料之擷取。舉例而言,該多頻道控制信號產生單元1053係用以控制直流電源供應裝置104,藉以適當調整光源產生器101所產生之光源之強度、光頻譜分佈及發光時間。或者,在光源輸出時,藉由控制負載控制信號產生單元1052以改變負載106之負載大小。在負載變換之後,經由資料擷取單元1051擷取電流、電壓、照度、溫度等資料,重複變換不同負載大小與資料擷取動作,以量測待測物在不同負載條件或不同照度時之特性,但本揭露並不以此為限。
申言之,光源產生裝置101要為量測太陽能電池之用,則必須符合太陽光模擬器之相關規範,例如:IEC-60904或JIS規範。從規範中之光頻譜照度表可得知,太陽光模擬器需在特定波長區段中發出相當照度之光。根據本揭露之一實施例,圖2例示光源產生裝置101所使用之一LED陣列200之排列方式示意圖。該LED陣列200包含複數個陣列元素21~29。每一陣列元素包含複數個發出不同波長之發光二極體。在本揭露一實施例中,每一陣列元素至少包含一顆含有螢光粉之發光二極體。在本揭露另一實施例中,陣列元素21包含主波長在300~400奈米之發光二極體201、主波長在400~500奈米之發光二極體202、主波長在500~600奈米之發光二極體203、主波長在600~700奈米之發光二極體204、主波長在700~800奈米之發光二極體205、主波長在800~900奈米之發光二極體206及主波長在900~1100奈米之發光二極體207,其中該發光二極體204包含一藍光LED晶片與螢光粉,該螢光粉經由藍光激發後發光的頻譜範圍約為500~700奈米。根據本揭露之一實施例,所選用之發光二極體201之主波長為395奈米;發光二極體202之主波長為465奈米;發光二極體203之主波長為510奈米;發光二極體204之主波長為615奈米;發光二極體205之主波長為740奈米;發光二極體206之主波長為850奈米;發光二極體207之主波長為940奈米。因此,即可藉由直流電源供應裝置104控制各LED電流大小來調配每個LED之發光強度,以產生照射該待測物之光源。根據本揭露之一實施範例,LED陣列元素21所涵蓋之面積大小為W與L之乘積,該面積約可介於1cm2
~50cm2
。圖2所揭示之LED陣列200的週期性排列方式並非唯一。LED陣列之最佳排列組合方式係根據LED外型、不同波長之LED之照度、積分柱形狀等因素之綜合考量,來組合出混光效果均勻和達到規範要求之LED陣列。舉例而言,LED陣列元素21可由一顆主波長為395奈米之發光二極體201、一顆主波長為465奈米之發光二極體202、一顆主波長為510奈米之發光二極體203、兩顆主波長為615奈米之發光二極體204、一顆主波長為740奈米之發光二極體205、一顆主波長為850奈米之發光二極體206和兩顆主波長為940奈米之發光二極體207所組成。
本揭露之直流電源供應裝置104,除了可提供LED穩定的電流輸出,也可以藉由開關方式提供類似方波狀的瞬間電流,使LED在短時間內發光,其可達成達數百毫秒以上之閃光操作的功效。此外,亦可藉由改變驅動電流大小而形成不同的照度,以量測太陽能電池在不同照度下的變化,依據IEC 60891之演算方法,可藉由量測不同照度條件下的太陽能電池特性,推算該太陽能電池等校模型之串聯電阻值(Rs
)。根據本揭露之一實施範例,圖3例示一階梯狀之電流輸出條件下之照度變化情形,藉此可快速測定待測物於500W/m2
與1000W/m2
照度下之電流-電壓曲線(IV curve)。根據本揭露之另一實施範例,圖4例示一瞬間電流輸出條件下之照度變化情形,藉由不同大小的方波狀電流可使太陽光模擬器產生不同強度之照度,藉此可以快速測定待測物在200W/m2
、500W/m2
與1000W/m2
照度條件下之電流-電壓曲線,並推算出該電池之串聯電阻值,但本揭露並不以此為限。
此外,將多種不同波長之LED晶片封裝於同一顆LED中,可以增加LED晶片擺放的密度,減少LED使用的顆數,亦可以提高混光效果。圖5例示結合本發明另一實施例之LED陣列元素21~29的封裝示意圖,其中該陣列元素21中包含兩顆發光二極體51和52。該發光二極體51包含五顆多晶片封裝之LED晶片511~515,其中LED晶片511之發光波長為395奈米、LED晶片512之發光波長為465奈米、LED晶片513之發光波長為510奈米且LED晶片514和515之發光波長為615奈米。該發光二極體52包含四顆多晶片封裝之LED晶片521~524,其中LED晶片521之發光波長為740奈米、LED晶片522之發光波長為850奈米且LED晶片523和524之發光波長為940奈米。目前LED封裝技術分為兩大類,覆晶(flip-chip)技術與打線(wire-bond)技術。在本實施例中,發光二極體51所包含的晶片511~515皆為覆晶封裝,而發光二極體52所包含的晶片521~524皆為打線封裝,但本揭露並不以此為限。
此外,本揭露之LED太陽能電池量測系統亦可用於量測太陽能電池之分光頻譜響應(spectrum response),其操作方法為,先量測太陽能電池在標準條件下之短路電流值,再微幅降低某一種類發光二極體之照度,例如降低主波長為465奈米之發光二極體202之照度,再進行相同量測,即可獲知該太陽能電池在波長465奈米約略的分光頻譜響應值,以此類推,本實施例中使用7種不同波長之LED,即可獲得分光頻譜響應曲線(Y軸電流-X軸波長)中的7個數據點,使用越多不同波長LED之太陽光模擬器,即可獲取越精確之分光頻譜響應曲線,但本揭露並不以此為限。
圖6例示結合本發明一實施例之負載元件106的電路示意圖。在本實施例中,該負載元件106係由一NMOS場效電晶體N1
所實現。參照圖6,該電腦系統105內的負載控制程式輸出訊號至該負載控制信號產生單元1052以產生一控制訊號。藉由該控制訊號,該NMOS場效電晶體N1
之阻抗可以被調整。圖7例示結合本發明另一實施例之負載元件106的電路示意圖。在本實施例中,該負載元件106係由複數個NMOS場效電晶體N1
~N4
串聯複數個電阻R1
~R4
所實現。參照圖7,該電腦105內的該負載控制程式輸出訊號至該負載控制信號產生單元1052以產生複數個控制訊號S1
~S4
。藉由該等控制訊號R1
~R4
,該等NMOS場效電晶體R1
~R4
可被選擇性地導通,使得該負載元件106的等效串聯阻抗可被選擇性地調整,串聯越多組NMOS場效電晶體與電阻,可提升負載元件106之阻抗切換範圍,但本揭露並不以此為限。
縱上所述,本揭露之太陽能電池之量測系統,其照射光源不需藉由濾光片的更換即可模擬不同條件下的太陽光譜,例如,黃昏、清晨時不同的光譜分佈,且透過多通道直流電源供應裝置可隨時調整輸出光的強度,進而取得不同照度或光譜條件下太陽能電池的特性。一般使用氙燈之量測系統,其光源可分為兩大類,閃光式與穩態,因技術不同,需分開購置。本揭露量測系統所使用之光源產生裝置,可以進行適合用於太陽能電池效率量測的閃光操作,也可以進行適合用於太陽能電池老化或溫度測試的穩態操作,進而減少分開購置的成本。本揭露之LED太陽光模擬器亦可用於光浸潤(light soaking)實驗,進行太陽能電池的老化試驗,實驗中需量測照度與待測物之溫度,進行長時間的照射。本揭露之太陽能電池量測系統亦可用於量測太陽能電池之分光頻譜響應,光源產生裝置101使用越多種不同波長之LED,可以更精確的量測分光頻譜響應。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上,然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此,本揭露之保護範圍應不限於實施範例所揭示者,而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾,並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
100...量測系統
101...光源產生裝置
1011...散熱鰭片
1012...光源陣列
1013...積分柱
1014...柵式積分柱
102...支撐裝置
103...量測裝置
1031...照度量測裝置
1032...溫度量測裝置
1033...電流量測裝置
1034...電壓量測裝置
104...直流電源供應裝置
105...電腦系統
1051...資料擷取單元
1052...負載控制信號產生單元
1053...多頻道控制信號產生單元
106...負載元件
107...待測物
108...偵測單元
109...溫度感測單元
W...寬度
L...長度
d...深度
201-207...發光二極體
51-52...發光二極體
511-515...發光二極體晶片
521-524...發光二極體晶片
N1
-N4
...NMOS場效電晶體
R1
-R4
...電阻
圖1例示一太陽能電池之量測系統;
圖2例示一LED陣列排列方式示意圖;
圖3例示一穩定電流輸出條件下之照度變化情形;
圖4例示一瞬間電流輸出條件下之照度變化情形;
圖5例示結合本發明一實施例之LED陣列元素的封裝示意圖;
圖6例示結合本發明一實施例之負載元件的電路示意圖;以及
圖7例示結合本發明另一實施例之負載元件的電路示意圖。
100...量測系統
101...光源產生裝置
1011...散熱鰭片
1012...光源陣列
1013...積分柱
1014...柵式積分柱
102...支撐裝置
103...量測裝置
1031...照度量測裝置
1032...溫度量測裝置
1033...電流量測裝置
1034...電壓量測裝置
104...直流電源供應裝置
105...電腦系統
1051...資料擷取單元
1052...負載控制信號產生單元
1053...多頻道控制信號產生單元
106...負載元件
107...待測物
108...偵測單元
109...溫度感測單元
Claims (33)
- 一種量測系統,包含:一光源產生裝置,被建構以產生一光源,該光源產生裝置包含複數種發出不同波長之發光二極體,其中該光源產生裝置之發光頻譜符合一預定規範;一支撐裝置,被建構以置放一待測物;以及一量測裝置,被建構以量測該待測物受該光源照射後之電氣特性。
- 根據請求項1所述之量測系統,其另包含一直流電源供應裝置,該直流電源供應裝置具有複數個驅動頻道,其用以驅動該複數種發出不同波長之發光二極體及控制該光源之強度或光頻譜。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該光源產生裝置係選自一積分柱、一柵式積分柱及其組合構成之群,該光源產生裝置被建構以提高該光源之均勻度。
- 根據請求項1所述之量測系統,其另包含一照度量測裝置,其被建構以量測該光源之照度。
- 根據請求項1所述之量測系統,其另包含一溫度量測裝置,其被建構以量測該待測物之溫度。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該待測物為一太陽能電池。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該量測裝置包含一負載元件,該負載元件之負載大小可調整。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該複數種發出不同波長之發光二極體的主波長係選自300~400奈米、400~700 奈米、700~1100奈米及其組合構成之群。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該預定規範係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 8933:2005 Class B。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該電氣特性包含該待測物之電流和電壓特性。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該光源產生裝置包含一光源陣列,該光源陣列包含至少五種發出不同波長之發光二極體。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該光源產生裝置約可產生100~2000W/m2 之照度。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中該光源產生裝置包含一光源陣列,該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,每一陣列元素包含一顆多晶片封裝之發光二極體,且該顆多晶片封裝之發光二極體包含複數種不同主波長之發光二極體晶片。
- 根據請求項1所述之量測系統,其中另包含一溫度控制裝置,用於控制該待測物之溫度。
- 一種太陽光模擬器,包含:一散熱系統;一支撐裝置,被建構以置放一待測物;一光源陣列,附著於該散熱系統且被建構以產生一光源;以及一光學系統,被建構以提高該光源陣列照射在該待測 物上之均勻度;其中該光源陣列包含複數種發出不同波長之發光二極體,且該太陽光模擬器之發光頻譜符合一預定規範。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該待測物為一太陽能電池。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該散熱系統係選自一金屬基板電路板、一陶瓷基板電路板、一散熱鰭片及其組合構成之群。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光學系統係選自一積分柱、一柵式積分柱及其組合構成之群,該光學系統被建構以提高該光源之均勻度。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該些發光二極體之排列方式為一週期性排列。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該複數種發出不同波長之發光二極體的主波長係選自300~400奈米、400~700奈米、700~1100奈米及其組合構成之群。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該預定規範係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。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光源產生裝置包含一光源陣列,該光源陣列包含至少五種發出不同波長之發光二極體。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,且每一陣列元素之面積大小約為 1cm2 ~50cm2 。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光源陣列約可產生100~2000W/m2 之照度。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,每一陣列元素包含一顆多晶片封裝之發光二極體,且該顆多晶片封裝之發光二極體包含複數種不同主波長之發光二極體晶片。
- 根據請求項15所述之太陽光模擬器,其中該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,每一陣列元素至少包含一顆含有螢光粉之發光二極體。
- 一種太陽能電池老化測試系統,包含:一光源產生裝置,被建構以產生一光源,該光源產生裝置係包含複數種發出不同波長之發光二極體,其中該光源產生裝置之發光頻譜符合一預定規範;一散熱系統,被建構以附著於該光源產生裝置;一支撐裝置,被建構以置放一受該光源照射之待測物;一照度量測裝置,被建構以監測該光源之照度;以及一溫度量測裝置,被建構以量測該待測物之溫度。
- 根據請求項27所述之測試系統,其另包含一直流電源供應裝置,該直流電源供應裝置具有複數個驅動頻道,其用以驅動該複數種發出不同波長之發光二極體及控制該光源之強度或光頻譜。
- 根據請求項27所述之測試系統,其中該光源產生裝置係選自一積分柱、一柵式積分柱及其組合構成之群,該光源產生裝置被建構以提高該光源之均勻度。
- 根據請求項27所述之測試系統,其中該預定規範係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 8933:2005 Class B。
- 根據請求項27所述之測試系統,其中該光源產生裝置包含一光源陣列,該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,每一陣列元素包含至少五種發出不同波長之發光二極體。
- 根據請求項27所述之測試系統,其中該光源產生裝置約可產生100~2000W/m2 之照度。
- 根據請求項27所述之測試系統,其中該光源陣列係由複數個陣列元素所構成,每一陣列元素包含一顆多晶片封裝之發光二極體,且該顆多晶片封裝之發光二極體包含複數種不同主波長之發光二極體晶片。
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