国产自产21区,亚洲97,免费毛片网,国产啪视频,青青青国产在线观看,国产毛片一区二区三区精品

專利名稱：測量光電轉換特性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量光電轉換特性的方法和裝置，更具體地，本發明涉及測量光電轉換器件如太陽能電池、光電二極管、光敏元件或電照相感光體、尤其是層疊光電轉換器件的光電轉換特性的方法和裝置。
背景技術：
在層疊光電轉換器件中，具有不同光譜響應的多個光電轉換元件層疊在一起，不能在光入射側被上部光電轉換元件完全吸收的長波長光被下部光電轉換元件吸收，由此增加輸出或感光度。因而，此種層疊光電轉換器件已經得到廣泛的開發。
由于以下原因，準確測量層疊光電轉換器件的輸出特性是非常重要的。
例如，在制造和傳送其最大功率是關鍵因素的層疊光電轉換器件時，通過檢查，其最大功率小于額定值的光電轉換器件判定為不合格產品。然而，要傳送的光電轉換器件的最大功率不能得到保證，除非其輸出特性能準確地測量。另外，如果輸出特性的測量誤差大，并且測量誤差隨測量裝置的狀態而改變，那么即使對于相同質量的光電轉換器件，檢查閾值也會發生變化，從而導致不穩定的產量。進而，如果檢查閾值包括測量誤差以保證要傳送的光電轉換器件的質量時，那么產量就不可避免地下降。
如果層疊光電轉換器件的輸出不能被準確地預計，那么在用層疊光電轉換器件構建系統時，就不會得到預期的系統特性或者系統效率下降。當層疊光電轉換器件是太陽能電池時，例如，它顯著地影響太陽能電池的保證最大功率、產量、發電系統的發電期望值以及系統效率。
然而，要準確測量層疊光電轉換器件的輸出特性是非常困難的。其主要原因是層疊光電轉換器件的輸出特性隨著照射光光譜而發生很大改變。例如，以下詳細描述雙層型太陽能電池(下稱“雙電池”)，其中兩個半導體結層疊并串聯在一起。在光入射側的上部半導體結稱作頂層電池，而下部半導體結稱作底層電池。由于這些電池具有不同的光譜響應，因此每個電池的短路電流隨著照射光光譜而發生改變。結果，整個雙電池的短路電流、占空因數和開路電壓都發生變化，從而雙電池的輸出特性有很大改變。
相反，在僅有單個半導體結的單層電池(下稱“單電池”)中，只有短路電流隨著照射光光譜而發生改變，而占空因數和開路電壓則很少受影響。為此，當短路電流的光譜依賴關系得到修正時，輸出特性就可近乎準確地測量。
一般而言，為準確測量光電轉換器件的輸出特性，必須確定測試條件，如照射光的強度、光譜以及光電轉換器件的溫度。例如，對于太陽能電池，標準測試條件定義如下太陽能電池的溫度25℃照射光的光譜標準日光(標準日光光譜由JIS C 8911定義)照射光的輻射度1000W/m2然而，在這些標準測試條件中，即便使用室外日光也難以得到標準日光光譜。這是因為標準目光僅在有限制的氣象條件下才能獲得。使用室內的準目光光源是不可能獲得標準日光光譜的。
對于單電池，基于光譜、輻射度隨位置的變化(下稱“位置變化”)以及時間變化比，準日光光源(日光模擬器)按與標準目光的接近程度依次分成A、B和C級。此分級在JIS C 8912和JIS C 8933中描述。使用A級或B級日光模擬器以及其光譜響應與待測量的太陽能電池相似的二次參考太陽能電池，設定日光模擬器的輻射度，由此修正因光譜偏差而引起的誤差。此測量方法在JIS C 8913和JIS C 8934中描述。
上述方法對于光譜幾乎只能影響其短路電流的單電池而言是可行的。然而如上所述，在層疊太陽能電池中，光譜不但影響短路電流而且還影響占空因數和開路電壓，并且，用上述測量方法不能準確地測量輸出特性。因此，層疊太陽能電池不包括在上述JIS的范圍之內。
已經提出下列技術作為準確測量層疊太陽能電池輸出特性的方法。
用于測量層疊太陽能電池的目光模擬器制作成其光譜是可調節的，并把光譜調節到獲得一定的短路電流和占空因數數值，該數值是層疊太陽能電池在標準目光下有可能產生的，由此準確測量輸出特性(此技術以下將稱作“多光源方法”)(T.Glatfelter和J.Burdick，1987年第19期IEEE Photovoltaic Specialists Conference，1187-1193頁)。
也就是說，層疊太陽能電池的多個半導體結中的每一個定義成單元電池。以In.ref(n為單元電池的數目)作為層疊太陽能電池中每個單元電池在標準日光下所產生的短路電流，以In.test作為在日光模擬器下所產生的短路電流。接著，當日光模擬器的光譜對于每個單元電池調節到滿足下式時，In.test＝In.ref …(1)層疊太陽能電池此時的短路電流和占空因數與在標準日光下的值相匹配。
用于上述測量技術中的假設也用于具有可調節光譜的日光模擬器中。在上述參考中，為調節每個單元電池的短路電流，來自三個光源，即一個氙(Xe)燈和兩個鹵素燈的光分量分成三個波長帶，然后合成。通過調節三個光源的輻射度，控制三個波長帶中的光分量的強度，由此調節合成光的光譜。
具有可變光譜的日光模擬器對于400cm2或更小的小照射面積是可行的。但是，基于以下原因，制造面積大于400cm2的光譜可調節的日光模擬器是相當困難的。
(i)由于對多個具有不同光譜的光分量合成，在合成光光譜中和在輻射度中的位置變化變大。照射面積越大，這些變化就越嚴重。
(ii)由于使用來自光源的部分光的光譜，光的強度趨于降低。
當照射面積變大時，難以獲得標準測試條件的輻射度1000W/m2。
(iii)結構變得復雜，并且與使用單個光源的普通日光模擬器相比，制造成本大大增加。
(iv)具有可變光譜的日光模擬器的調節非常麻煩，對它的控制需要技巧。
多光源方法可以準確測量層疊太陽能電池的輸出特性。然而，基于上述原因，待測量太陽能電池的光接收面積受限于實驗室水平的最小面積，此方法難以測量面積大于400cm2的電池、模件或陣列。即使可以制造用于多光源方法的測量裝置，成本也是相當高的。另外，多光源方法不能用于使用室外日光的測量中。

發明內容
本發明已單個地或全部解決上述問題，其目的是以低成本準確地測量光電轉換特性且不受光接收面積、待測量物體的形式、測量位置及測量光的影響。
根據本發明的優選方面，通過提供一種測量方法來實現前述目的，此測量方法通過改變作用到物體上的電壓并測量此物體的電流-電壓特性來測量待測試物體的光電轉換特性，此方法包括以下步驟在標準測試條件下獲得參考物體的電流-電壓特性，參考物體的構造與測試物體相似；在光照射下測量測試物體和參考物體的電流-電壓特性；根據對測試物體和參考物體測量的電流-電壓特性以及在標準測試條件下所獲得的參考物體的電流-電壓特性，計算測試物體的光電轉換特性。
根據本發明的優選方面，前述目的還可通過提供一種測量待測試物體的光電轉換特性的測量裝置來實現，該測量是通過在光照射下測量測試物體的電流-電壓特性來進行的，此裝置包括設置成控制作用到物體上的電壓的電壓控制器；設置成檢測此物體的電壓和電流的檢測儀；根據測試物體和參考物體測量的電流-電壓特性以及在標準測試條件下事先測量的參考物體的電流-電壓特性，計算測試物體的光電轉換特性的計算器，其中參考物體的構造與測試物體相似。
從以下結合附圖而進行的描述中可看出，本發明的其它特征和優點是顯而易見的，在所有這些附圖中，對于相同或相似的部件分配相同的參考號。


圖1示出用于解釋一實施例的測量裝置的布置圖；圖2示出參考電池在光照射下的電流-電壓特性(IVref.t*)以及在標準測試條件下的電流-電壓特性(IVref.o)；圖3示出試樣電池在光照射下的電流-電壓特性(IVsam.t*)；圖4示出實例1中試樣電池的光譜響應(實線)以及參考電池的光譜響應(虛線)；圖5為示出實例1的測量結果的表格；圖6為示出實例1中對電池中的單元電池在標準測試條件下所產生的短路電流的計算結果的表格；圖7為示出比較實例1中的測量結果的表格；圖8為示出實例1的檢驗結果的表格；圖9為示出實例2的測量結果的表格；圖10為示出實例2的檢驗結果的表格；圖11為示出實例3的測量結果的表格；圖12為示出實例3的檢驗結果的表格；圖13為示出實例4的測量結果的表格；圖14為示出實例4的檢驗結果的表格；圖15為示出實例5的測量結果的表格；圖16為示出實例5的檢驗結果的表格；圖17為示出實例6的測量結果的表格；圖18為示出實例6的檢驗結果的表格；以及圖19為示出實施例的測量程序的流程圖。
具體實施例方式
下面以太陽能電池為例，結合附圖來詳細描述根據本發明實施例的測量系統。
層疊參考光電轉換器件在此實施例中是最重要的元件。如果此器件是太陽能電池，就稱為層疊參考太陽能電池，在此亦稱作“參考電池”或“參考物體”。待測量的層疊光電轉換器件稱作“試樣電池”、“測量物體”或“測試物體”。參考電池所要求的事項在下面描述。
(A)參考電池具有與試樣電池相同的結構。
也就是說，參考電池優選由與試樣電池相同的材料形成。至少用于執行光電轉換的半導體部分必須由與試樣電池相同的材料且以相同的方式形成。由于具有此結構，在參考電池中每個單元電池的光譜響應變得與試樣電池中的相似，而且試樣電池的輸出特性可得到準確修正。但是，半導體層不需要有相同的厚度。
(B)限制參考電池短路電流的單元電池(下稱“限流電池”)優選與試樣電池的相同。
用作限流電池的單元電池根據照射光的光譜而改變。至少在上述標準測試條件下，參考電池的限流電池優選與試樣電池的相同。當限流電池相同時，試樣電池的短路電流可得到準確修正。
(C)參考電池的發電部分面積優選與最小單元部分的發電部分面積相近，優選其面積之差在±20％或更小的范圍內，更優選在±10％或更小的范圍內，并最優選在±5％或更小的范圍內，此最小單元部分在一個構造試樣電池的基片上形成。
這是因為當參考電池的發電部分面積與試樣電池的相近時，在照射光下任何因位置變化引起的誤差都可被大幅減小。當試樣電池制作成所謂的模件或陣列時，在模件或陣列中多個層疊光電轉換器件串聯和/或并聯，在單個串聯和/或并聯的基片上的最小單元部分(下稱“子模件”)的發電面積僅需要與參考電池的發電部分面積相近。
(D)優選對參考電池的特性進行處理并使之在時間上是穩定的。
當參考電池的特性對于光、熱和濕度穩定時，在標準測試條件下參考電池的電流-電壓特性的可靠性就變大，并且試樣電池的輸出特性可得到準確修正。另外，在標準測試條件下電流-電壓特性的再測量時間間隔可增加。
(E)在標準測試條件下參考電池的電流-電壓特性優選事先進行測量。
為了在標準測試條件下測量電流-電壓特性，可使用多光源方法或另一已知的測量方法。如果參考電池的面積較大，就難以使用多光源方法來測量特性。在此情形中，優選白天在室外當標準日光條件或等效條件被滿足時(標準日光方法)進行測量。標準日光方法之外的任何其它方法都可使用，只要它能模擬與在標準日光下的電流-電壓特性幾乎相同的特性即可。
(F)參考電池的電流-電壓特性的溫度系數優選是已知的。
更具體地說，開路電壓、短路電流和占空因數的溫度系數優選是已知的。如果難以測量參考電池自身的溫度系數，那么可使用等效層疊光電轉換器件的溫度系數值。在使用參考電池測量試樣電池時，參考電池的溫度優選調節到25℃。如果難以調節溫度，就用溫度系數進行溫度修正，獲得在25℃下的特性。
(G)以Jref.n作為參考電池中的第n個單元電池在標準測試條件下產生的短路電流，且以Jsam.n作為試樣電池中第n個單元電池在標準測試條件下產生的短路電流，Jref.n優選落在Jsam.n的±20％范圍之內，更優選落在±10％范圍之內。亦即，優選滿足下面的公式(2)或(3)。
Jref.n或Jsam.n不能被直接測量。然而，以Qr.n(λ)和Qs.n(λ)作為各個單元電池的光譜響應，當光譜響應和標準日光的光譜Eo(λ)的乘積對包括電池的光譜響應的波長積分時，可得到Jref.n和Jsam.n。也就是說，Jref.n和Jsam.n可由下面的公式(4)和(5)得到。用已知方法測量光譜響應。當參考電池或試樣電池具有較大面積并且光譜響應難以測量時，它可從小電池的光譜響應測量結果估計得到，所述小電池假定具有與參考電池或試樣電池幾乎相同的光譜響應。
0.8×Jsam.n≤Jref.n≤1.2×Jsam.n …(2)0.9×Jsam.n≤Jref.n≤1.1×Jsam.n …(3)Jref.n＝∫ Eo(λ)Qr.n(λ)dλ …(4)Jsam.n＝∫Eo(λ)Qs.n(λ)dλ …(5)其中，
Jref.n參考電池的第n個單元電池的短路電流Jsam.n試樣電池的第n個單元電池的短路電流Qr.n(λ)參考電池的第n個單元電池的光譜響應Qs.n(λ)試樣電池的第n個單元電池的光譜響應Eo(λ)標準日光的光譜(H)以Et(λ)作為照射光的光譜，所謂的失配系數Mn由下式給出Mn＝∫ Eo(λ)Qr.n(λ)dλ/∫Et(λ)Qr.n(λ)dλ×∫Et(λ)Qs.n(λ)dλ/∫Eo(λ)Qs.n(λ)dλ …(6)其中Et(λ)照射光在測量時的光譜公式(6)表示參考電池和試樣電池之間的關系優選落在0.98-1.02范圍之內。
以下描述對通過測量層疊太陽能電池的輸出特性而得到的結果進行修正的方法。
·當輻射度不能調節時(a)在測量時，對于當光照射時所獲得的試樣電池的電流-電壓特性IVsam.t以及參考電池的電流-電壓特性IVref.t的數據，修正到當輻射度為1000W/m2且溫度為25℃時的數據。
對此修正采用一種已知方法。以IVsam.t*和IVref.t*作為修正輻射度和溫度之后的數據。當輻射度落在1000±10W/m2的范圍之內且電池溫度落在25℃±2℃的范圍之內時，不需要進行修正。在此情形中，就有IVsam.t*＝IVsam.tIVref.t*＝IVref.t(b)從上述IVsam.t*和IVref.t*，得到修正輻射度和溫度之后的參考電池和試樣電池的下列特性參數(見圖2和3)。
Pm.r*參考電池的最大功率Pm.s*試樣電池的最大功率Voc.r*參考電池的開路電壓
Voc.s*試樣電池的開路電壓Isc.r*參考電池的短路電流Isc.s*試樣電池的短路電流FF.r*參考電池的占空因數FF.s*試樣電池的占空因數占空因數FF一般由下式給出FF＝Pm/(Voc×Isc)(c)從參考電池在標準測試條件下事先測量的電流-電壓特性IVref.o，得到參考電池在標準測試條件下的下列特性參數，Pm.r.o參考電池在標準測試條件下的最大功率Voc.r.o參考電池在標準測試條件下的開路電壓Isc.r.o參考電池在標準測試條件下的短路電流FF.r.o參考電池在標準測試條件下的占空因數(d)由于照射光的光譜會從標準目光光譜偏移，上述IVref.t*和IVref.o具有如圖2所示的偏差。Pm.s.o通過修正試樣電池的最大功率Pm.s*來計算，如下所示Pm.s.o＝Pm.s*×Isc.r.o/Isc.r*×FF.r.o/FF.r*…(7)Pm.s.o＝Pm.s*×Isc.r.o/Isc.r*×Pm.r.o/Pm.r*…(8)公式(7)修正電池的占空因數FF和短路電流Isc的光譜依賴關系，但不修正開路電壓Voc的光譜依賴關系。公式(8)也修正開路電壓Voc的光譜依賴關系。
除了短路電流Isc之外，占空因數FF主要有對光譜的依賴關系。開路電壓Voc的光譜依賴關系是較小的。另外，由于開路電壓Voc的溫度系數一般比短路電流或占空因數的更大，開路電壓Voc易于受到溫度測量誤差或溫度修正系數誤差的影響，也易于受到輻射度的影響。也就是說，為修正開路電壓Voc，必須隔離光譜的影響。如果此影響難以隔離，那么在某些情況下就優選禁止進行此修正。
因而，當電池溫度難以調節到25℃或輻射度難以調節到1000W/m2時，并且當輻射度修正和溫度修正假定包含誤差時，光譜對開路電壓Voc的影響不能被隔離，因此，優選使用公式(7)。
相反，當電池溫度可以調節到25℃且輻射度可調節到1000W/m2時，即當輻射度修正和溫度修正中的誤差假定較小時，光譜對開路電壓Voc的影響就能被隔離，因此，優選使用公式(8)。
為了進行基于此室外實施例的測量，測量光輻射度的時間、獲得參考電池電流-電壓特性的時間、以及獲得試樣電池電流-電壓特性的時間之間的偏差優選為10秒或更小，更優選為5秒或更小，最優選為2秒或更小。室外目光的輻射度和光譜每時每刻在改變。因此，當待比較的測量在盡可能相同的時間執行時，這些測量可以在幾乎相同的日光條件下進行，并且可進一步提高測量的準確度。
·當輻射度可以調節時(e)同上述的節(a)類似地，測量參考電池的電流-電壓特性，并用輻射度和溫度修正。
(f)如果Isc.r*＞Isc.r.o，光源的輻射度降低。相反，如果Isc.r*＜Isc.r.o，光源的輻射度增加。
(g)重復進行節(e)和(f)，直到Isc.r*和Isc.r.o匹配的準確度優選為±1％，更優選地為±0.5％。當此條件滿足時，可認為Isc.r*＝Isc.r.o。
(h)同上述的節(a)類似地，測量試樣電池的電流-電壓特性，并用輻射度和溫度修正。
(i)用公式(9)修正試樣電池的最大功率。試樣電池的最大功率可用公式(10)修正。
Pm.s.o＝Pm.s*×FF.r.o/FF.r*…(9)Pm.s.o＝Pm.s*×Pm.r.o/Pm.r*…(10)使用這些公式的方式與使用公式(7)和(8)的相同。在此情形中，輻射度調節到1000W/m2。因而，當溫度修正包含誤差并且光譜對開路電壓Voc的影響不能被隔離時，優選使用公式(9)。當溫度修正中的誤差較小并且光譜對開路電壓Voc的影響可以隔離時，優選使用公式(10)。
(j)當光源的輻射度在時間上是穩定的，可省略節(e)-(g)，并且可連續地測量不同的試樣電池。
根據光源的時間穩定性，在每個預定的時間插入與節(e)-(g)對應的步驟以調節光源的輻射度。當改變試樣電池的光譜特性以改變限流電池時或當失配系數Mn偏離范圍0.98-1.02時，根據上述觀點，參考電池優選改變成合適的電池，并且再次執行節(e)-(g)。
·當輻射度可以調節時的簡化測量方法(k)同上述的節(a)類似地，測量參考電池的電流-電壓特性，并用輻射度和溫度修正。
(l)如果Pm.r*＞Pm.r.o，光源的輻射度降低。相反，如果Pm.r*＜Pm.r.o，光源的輻射度增加。
(m)重復進行節(k)和(l)，直到Pm.r*和Pm.r.o匹配的準確度優選為±1％，更優選地為±0.5％。此時，假設Pm.r*＝Pm.r.o …(11)(n)同上述的節(a)類似地，測量試樣電池的電流-電壓特性，并用輻射度和溫度修正。在此情形中，對于最大功率可認為Pm.s.o＝Pm.s*。然而，短路電流Isc和占空因數FF是不準確的。當強調測量速度時優選使用此方法，盡可能準確的最大功率Pm.s通過簡單修正來測量。
(o)根據與上述的節(f)中相同的參考，可連續測量試樣電池。
試樣電池的結構中層疊有多個半導體結。當從層疊的兩個半導體結中的每一個都引出一電極，此電池稱為四端子型。當多個半導體結串聯并且電極在兩端形成時，此電池稱為雙端子型。此實施例的測量方法可用于試樣電池，并對雙端子型電池產生顯著影響。
試樣電池(層疊光電轉換器件)的實例為太陽能電池、光電二極管、光敏元件以及電照相感光體。
半導體結的實例為pn結、pin結和MIS結。
半導體材料包括晶體、多晶、微晶和非晶體材料。基片的實例為IV族或IV族化合物如Si、SiC、SiGe、C和Ge；III_V族化合物如GaAs、AlGaAs、InP和InSb；II_VI族化合物如ZnSe、ZnO、CdS、CdTe和Cu2S；I_III_VI2族化合物如CuInSe2和CuInS2；有機半導體；以及上述化合物的混合物。
對于此實施例的測量方法，試樣電池的大小和面積是不受限制的。例如，對于太陽能電池，可測量具有不同尺寸和面積的器件如電池、子模件、模件和陣列。
試樣電池的電流-電壓特性的溫度系數優選是已知的。更具體地，開路電壓、短路電流和占空因數的溫度系數優選是已知的。如果難以測量試樣電池自身的溫度系數，可使用等效層疊光電轉換器件的溫度系數值。在測量試樣電池時，試樣電池的溫度優選調節到25℃。如果難以調節溫度，此特性就必須用上述溫度系數來修正，并且必須獲得在25℃下的特性。
在此實施例的測量方法中所用的光可以是自然光或來自人工光源的光。例如，對于太陽能電池，優選使用目光或準日光光源。
當使用目光時，測量優選在500-1500W/m2的輻射度范圍之內進行，更優選在800-1200W/m2的輻射度范圍之內進行。由于參考電池或試樣電池的溫度容易升高，所以日光在開始測量之前被屏蔽，而在即時測量之前照射到參考電池或試樣電池上。采用此操作，由于能抑制電池溫度的任何升高，并且用上述溫度系數進行的修正量變小，因此可減小由溫度修正帶來的任何誤差，測量就可更準確地進行。
當使用準日光光源時，優選使用已知的日光模擬器。氙燈或金屬鹵化物燈優選用作光源燈。照明方法可為連續照明或脈沖照明。當使用準日光光源時，根據燈的使用時間，光譜在一定程度上發生變化。由于此實施例的測量方法修正因光譜引起的誤差，對光譜敏感的層疊光電轉換器件的輸出特性可得到準確測量。
當要測量具有大面積的電池或模件時，日光模擬器還必須具有大的有效照射面積。另外，需要在光譜吻合程度和輻射度位置變化方面俱佳的日光模擬器。如上所述，當面積變大時，日光模擬器的制造成本加速增加。在此實施例的測量方法中，由于強調日光模擬器輻射度的位置變化且同時折衷考慮光譜吻合程度，所以處理大面積的準確測量系統的運行成本就較低。
用于照射電池的光的輻射度可通過使用熱電偶的已知太陽能電池、光電二極管或日射強度計來檢測。最后，此輻射度由參考電池校正。因此，參考電池從一開始就可用作輻射度檢測儀。
對于圖1所示的電壓和電流檢測儀101和102，可使用已知的儀器如數字式萬用表或電阻器-模數轉換卡組合。
如圖1所示，對于為電池104或105供電的電源103，例如，使用能改變電壓的雙極電源。如果作用到電池104或105的電壓可以變化或波動，可使用已知的器件，如電子負荷或在電容器中所積累的電荷的放電，以取代電源103。
為計算上述失配系數Mn，必須測量照射光的光譜。為此，優選使用已知的分光輻射譜儀進行測量。
對于控制上述測量器件的裝置和用于處理測量數據的裝置，優選使用諸如個人計算機的測量控制和數據處理裝置。
圖19為示出此實施例的測量程序的流程圖。
首先，照射光的輻射度用輻射度檢測儀進行測量或調節(S1)。測量參考電池的電流-電壓特性(S2)，并測量試樣電池的電流-電壓特性(S3)。也就是說，在改變作用到待測量物體上的電壓的同時，對作用到待測量物體上的電壓和電流進行測量，由此獲得電流-電壓特性。優選至少在短時間內執行步驟S2和S3。
參考電池在標準測試條件下的電流-電壓特性與參考電池的電流-電壓特性測量結果進行比較，由此獲得測量結果與標準測試條件的偏差(S4)，此偏差基于照射光與標準測試條件的偏差。根據所獲得的測量結果的偏差，修正試樣電池的電流-電壓特性的測量結果(S5)，并且得到試樣電池的光電轉換特性(S6)。
實例1使用氙燈作為光源并借助已知的脈沖-光型日光模擬器，測量三層太陽能電池的輸出特性，此太陽能電池具有三層的結構，其中包括具有pin結的頂層，其i-層使用非晶體硅(下稱“a-Si”)；具有pin結的中間層，其i-層使用非晶體硅鍺(下稱“a-SiGe”)；以及具有pin結的底層，其i-層使用a-SiGe。
三層太陽能電池的尺寸為約1cm×1cm且在單個不銹鋼基片上形成，并且在電池串聯或并聯之前處于單個元件的狀態。沒有表面保護層形成。日光模擬器的有效照射面積為約10cm×10cm。輻射度的時間變化比為±1％或更小，輻射度的位置變化為±2％或更小。
使用已知的雙極電源作為電源103。通過個人計算機使電壓波動。對于電壓和電流檢測儀101和102，使用已知的數字式萬用表，通過個人計算機獲得測量電壓和電流的數據。采用上述配置，得到電池的電流-電壓特性。
對于參考電池，使用與試樣電池具有相同結構和尺寸的三層太陽能電池，此電池事先用來自日光模擬器的光照射1000小時并老化使特性隨時間的變化穩定。事先用多光源方法測量參考電池在標準測試條件下的電流-電壓特性。當參考電池的特性穩定時，即使在測量時用光照射也不會改變參考電池的特性，從而可獲得準確的測量結果。另外，在標準測試條件下參考電池的電流-電壓特性的再測量時間間隔可以增加。
對于輻射度檢測儀，使用參考電池，并且日光模擬器的輻射度調節到1000W/m2，以便參考電池的短路電流與在標準測試條件下的匹配。因而，在此實例中，根據以上關于修正方法的描述可以認為Isc.r*＝Isc.r.o。
在每個試樣電池和參考電池的不銹鋼基片的下表面上設置銅塊和珀爾帖元件，以將電池溫度調節為25℃±1℃。因而，此實例與上述關于其“輻射度可以調節”的修正方法的情形相對應。由于輻射度和電池溫度調節到1000W/m2和25℃，為獲得電流-電壓特性所進行的輻射度修正和溫度修正就沒必要了。
從試樣電池的電流-電壓特性得到最大功率Pm.s*；從參考電池的電流-電壓特性得到FF.r*；從參考電池在標準測試條件下的電流-電壓特性得到FF.r.o，此特性事先測量；以及用公式(9)進行修正得到最大功率Pm.s.o。圖5示出這些結果。
試樣同時用試樣電池制備的，并且假定其具有與試樣電池相同的特性，當此試樣的光譜響應用已知方法測量時，得到由圖4中實線401-403所示的特性。另外，測量參考電池的光譜響應時，得到由圖4中虛線404-406所示的特性。由于參考電池老化直至特性穩定，每個單元電池的光譜響應和短路電流稍微比試樣電池的更小。
當所測量的光譜響應和標準日光的光譜根據公式(4)和(5)對波長求積分時，得到如圖6所示的結果。圖6還示出通過測量日光模擬器的光譜并用公式(6)計算失配系數而獲得的結果，此測量使用已知的分光輻射譜儀。
從圖6可明顯看出，對于試樣電池和參考電池，在整個三層太陽能電池中用于限制電流的單元電池都是頂層電池。另外，在試樣電池和參考電池中的單元電池的短路電流比落在±10％的范圍之內。進而，在光照射下，試樣電池的每個單元電池相對于參考電池的失配系數是0.99-1.00。
如上所述，由于參考電池具有與試樣電池相似的光譜響應和與試樣電池相同的限流電池，并且失配系數幾乎為1，所以，對于試樣電池輸出特性的修正結果的準確度得到提高。
比較實例1為檢驗上述實例1的測量結果的準確度，實例1的試樣電池用多光源方法測量。
也就是說，使用具有可調節光譜的日光模擬器(多光源模擬器)，調節日光模擬器的光譜，以便試樣電池的頂層電池、中間電池和底層電池每一個的電流都與在標準測試條件下的相等。此時日光模擬器的光譜用已知的分光輻射譜儀測量。
除了使用多光源模擬器之外，根據與實例1相同的程序，使用與實例1相同的參考電池，并且測量電流-電壓特性，同時由參考電池調節日光模擬器的輻射度到1000W/m2，且參考電池的溫度調節到25℃。在此情形中，輸出特性不用參考電池修正。圖7示出測量結果。
圖8示出實例1在修正之前和之后的結果除以圖7所示的值而獲得的結果，并且用百分比表示每個值的增加/減小。從圖8所示的結果明顯看出，根據本實施例的不使用諸如多光源模擬器的裝置的測量方法，即修正由普通目光模擬器得到的測量結果的測量方法，可獲得與多光源方法幾乎相同的準確的測量結果。
實例2根據與實例1相同的程序，測量與實例1相同的試樣電池。圖9示出由公式(10)而不是由公式(9)修正測量結果而得到的結果。圖10示出實例2在圖9所示修正之前和之后的結果除以圖7所示的值而獲得的結果，并且用百分比表示每個值的增加/減小。從圖10所示的結果明顯看出，即使采用本實施例中使用公式(10)的測量方法，也可獲得與多光源方法幾乎相同的準確的測量結果。
實例3使用氙燈作為光源并借助已知的日光模擬器，測量雙層太陽能電池的輸出特性，此太陽能電池具有兩層的結構，其中包括具有pin結的頂層電池，其i-層使用a-Si；以及具有pin結的底層電池，其i-層使用微晶粒(下稱“μc-Si”)。
雙層太陽能電池是在單個不銹鋼基片上形成的尺寸約為25cm×18cm的子模件，并且在子模件串聯或并聯之前處于單個元件的狀態。沒有表面保護層形成。日光模擬器的有效照射面積為約130cm×80cm。輻射度的位置變化為±3％或更小，且在子模件面積之內的輻射度的位置變化為±1.5％或更小。
使用已知的電子負荷作為電源103。通過個人計算機使電壓波動。對于電壓和電流檢測儀101和102，使用電阻器-模數轉換卡組合，通過個人計算機獲得測量電壓和電流的數據。采用上述配置，得到子模件的電流-電壓特性。
對于參考子模件，使用與試樣子模件具有相同結構和尺寸的雙層太陽能電池子模件，此子模件事先用來自日光模擬器的光照射1000小時并老化使特性隨時間的變化穩定。當日光條件滿足標準日光條件或等效氣象條件時，事先在室外測量參考子模件的電流-電壓特性，并修正輻射度和溫度，由此獲得在標準測試條件下的電流-電壓特性。
當參考子模件的面積制作得與試樣子模件的匹配時，任何因日光模擬器的輻射度的位置變化引起的誤差可大大降低。
對于輻射度檢測儀，使用參考子模件，并且日光模擬器的輻射度調節到1000W/m2，以便參考子模件的短路電流與在標準測試條件下的匹配。因而，在此實例中，根據以上關于修正方法的描述可以認為Isc.r*＝Isc.r.o。
試樣子模件的溫度為27℃而參考子模件的溫度為27.5℃。這兩個子模件的電流-電壓特性用溫度修正系數進行修正，此溫度修正系數是事先使用與上述結構相同的雙層太陽能電池而得到的。
從試樣子模件的修正電流-電壓特性得到最大功率Pm.s*；從參考子模件的修正電流-電壓特性得到FF.r*；從參考子模件在標準測試條件下的電流-電壓特性得到FF.r.o，此特性事先測量；以及用公式(9)進行修正得到最大功率Pm.s.o。圖11示出這些結果。
當日光條件滿足標準日光條件或等效氣象條件時，在室外測量試樣子模件的電流-電壓特性，并修正輻射度和溫度，由此獲得在標準測試條件下的電流-電壓特性。從這些結果得到的輸出特性Pm、Voc、Isc和FF與圖11所示的在測量中和在修正之后的輸出特性相比較。圖12示出比較結果。
從圖12所示結果明顯看出，當用普通日光所獲得的測量結果采用本實施例的測量方法進行修正時，即使不在嚴格的氣象條件下用標準日光進行室外測量，也可獲得與標準日光方法幾乎相同的準確的測量結果。
實例4在室外測量雙層太陽能電池模件的輸出特性，此太陽能電池模件具有兩層的結構，其中包括具有pin結的頂層電池，其i-層使用a-Si；以及具有pn結的底層電池，其n-層使用單晶硅(下稱“c-Si”)。
雙層太陽能電池模件是尺寸為約95cm×55cm的所謂超級直模件，其中15串×3并的雙層太陽能電池連接在一起，每個電池都是在尺寸為約10cm×10cm的單晶硅晶片上形成。在晴天進行室外測量，此時直射日光的入射角為10°或更小，且輻射度為800W/m2或更大。由于測量不是在標準目光方法的受限氣象條件下進行，而是在更為普通的氣象條件下進行，日光的光譜不滿足標準日光的條件。
使用已知的電子負荷作為電源103。通過電子負荷的作用使電壓波動。對于電壓和電流檢測儀101和102，使用已知的數字式萬用表，通過筆記本個人計算機獲得測量電壓和電流的數據。采用上述配置，得到模件的電流-電壓特性。
對于參考模件，使用具有相同模件結構和尺寸為約10cm×10cm的雙層太陽能電池子模件，此子模件事先用來自日光模擬器的光照射1000小時并老化使特性隨時間的變化穩定。用多光源方法事先測量參考模件在標準測試條件下的電流-電壓特性。
當參考模件的面積制作得與試樣子模件的匹配時，溫度修正中的任何誤差和輸出特性中的任何測量誤差都被降低。參考模件和試樣模件安裝在相同框架的相同平面上，直射日光的入射角相等，并且同時測量電流-電壓特性，由此使測量條件相同。
對于輻射度檢測儀，使用參考模件。輻射度用參考模件的短路電流測量。
試樣模件的溫度根據溫度系數進行計算，此溫度系數來自使用脈沖型日光模擬器同時控制溫度為25℃而在室內測量的開路電壓Voc、以及在室外測量的開路電壓Voc。參考模件的溫度也根據溫度系數進行計算，但此溫度系數來自采用多光源方法同時控制溫度為25℃而在室內測量的開路電壓Voc、以及在室外測量的開路電壓Voc。接著，根據溫度修正系數值和串聯電阻值，對兩個模件的電流-電壓特性進行溫度修正和輻射度修正，此串聯電阻值是使用結構與上述相同的雙層太陽能電池而得到的。
在溫度修正和輻射度修正之后，從試樣模件的電流-電壓特性得到最大功率Pm.s*；在溫度修正和輻射度修正之后，從參考模件的電流-電壓特性得到FF.r*；從參考模件在標準測試條件下的電流-電壓特性得到FF.r.o，此特性事先測量；以及用公式(7)進行修正得到最大功率Pm.s.o。在此實例中，即使用公式(8)進行修正時，所得到的值也與用公式(7)得到的值相同。圖13示出這些結果。
當日光條件滿足標準日光條件或等效氣象條件時，在室外測量試樣模件的電流-電壓特性，并修正輻射度和溫度，由此獲得在標準測試條件下的電流-電壓特性。從這些結果得到的輸出特性Pm、Voc、Isc和FF與圖13所示的在測量中和在修正之后的輸出特性相比較。圖14示出比較結果。
從圖14所示結果明顯看出，當用本實施例的測量方法修正室外測量所得到的結果時，不用等到在嚴格氣象條件下獲得標準目光條件的那天，就可獲得與標準日光方法幾乎相同的準確的測量結果。
在日本，一年中僅有幾天能得到適用于標準日光方法的氣象條件。然而，根據本實施例的測量方法，在一天中可進行任意次數的測量，只要在晴天獲得800W/m2或更大的輻射度就行，并且室外測量的天數有可能大大增加。
實例5在尺寸為約25cm×35cm的單個不銹鋼基片上形成與實例1相同的三層太陽能電池，以制備子模件。使用鍍鋅鋼板作為支撐串聯五個子模件，并且增加表面保護層、旁通二極管和接線盒等，形成尺寸為約140cm×42cm的屋面材料形狀的模件。二十個模件串聯形成一串，五串并聯形成太陽能電池陣列。太陽能電池陣列的輸出為3.2kW。此太陽能電池陣列還用作屋面材料，安裝后作為建筑物的屋頂并經過連接盒與諸如變換器的功率調節器相連，以便用作光電發電系統的一部分。
一直安裝在屋頂的太陽能電池陣列的輸出特性用日光測量。在晴天，當直射日光的入射角為10°或更小且輻射度為800W/m2或更大時，進行測量。由于測量不是在標準日光方法的受限氣象條件下進行，而是在更為普通的氣象條件下進行，日光的光譜不滿足標準日光的條件。
在連接盒斷開太陽能電池陣列與功率調節器的連接之后，太陽能電池陣列的輸出連接到電源103。對于電源103，使用一種對電容器里所積累的電荷進行放電的已知方法。通過對電容器放電而使電壓波動。對于電壓和電流檢測儀101和102，使用已知的數字式萬用表，通過筆記本個人計算機獲得測量電壓和電流的數據。采用上述配置，得到太陽能電池陣列的電流-電壓特性。
對于參考模件，使用具有與試樣相同的模件結構且尺寸為約25cm×35cm的三層太陽能電池子模件，參考模件已事先通過用已知的向前偏流注入方法注入電流1500小時進行老化，以使特性隨時間的變化穩定。用標準日光方法事先測量參考模件在標準測試條件下的電流-電壓特性。
當參考模件的面積制作得與作為試樣的太陽能電池陣列的子模件的面積匹配時，溫度修正中的任何誤差和輸出特性中的任何測量誤差都降低。參考模件和作為試樣的太陽能電池陣列相對于日光設置成相同的角度，以使直射日光的入射角相同，并同時測量電流-電壓特性，由此使測量條件相同。
對于輻射度檢測儀，使用參考模件。輻射度用參考模件的短路電流測量。
太陽能電池陣列的溫度由在多個點測量的溫度的加權平均值得到，各點溫度用輻射溫度計從陣列表面側以在陣列上不產生陰影的估計角度進行測量。參考模件的溫度用片狀銅康銅熱電偶和數字式溫度計測量，熱電偶和溫度計粘結到模件下表面的近乎中央的部分。接著，根據溫度修正系數值和串聯電阻值，對模件和陣列的電流-電壓特性進行溫度修正和輻射度修正，該串聯電阻值用結構與上述相同的三層太陽能電池而得到。另外，估計太陽能電池陣列上的污垢程度，并用污垢修正系數修正電流-電壓特性。
在溫度修正、輻射度修正及污垢修正之后，從太陽能電池陣列的電流-電壓特性得到最大功率Pm.s*；在溫度修正和輻射度修正之后，從參考模件的電流-電壓特性得到FF.r*；從參考模件在標準測試條件下的電流-電壓特性得到FF.r.o，此特性事先測量；以及用公式(7)進行修正得到最大功率Pm.s.o。圖15示出這些結果。
在日光滿足標準日光條件的氣象條件下，難以在室外測量太陽能電池陣列的電流-電壓特性。為解決這個問題，在制造形成太陽能電池陣列的太陽能電池模件的過程中，用脈沖-光型日光模擬器測量每個模件的電流-電壓特性，根據與實例4相同的程序得到輸出特性。對20×5串并聯模件的輸出特性進行綜合，得到太陽能電池陣列的輸出特性。最后，對光引發的老化比和在安裝太陽能電池陣列之后因連接電纜和阻塞二極管引起的損失量進行修正，獲得在構造太陽能電池陣列之后太陽能電池陣列的修正輸出特性。這些輸出特性與如圖15所示的在測量中和在修正之后的輸出特性相比較。圖16示出比較結果。
從圖16所示結果明顯看出，當用本實施例的測量方法修正室外測量所得到的測量結果時，不用等到在嚴格氣象條件下獲得標準日光條件的那天，就可獲得與對標準日光方法的測量結果綜合而得到的結果幾乎相同的準確的測量結果。
實例6使用金屬鹵化物燈作為光源并借助已知的日光模擬器，測量光敏元件的的輸出特性，此光敏元件具有層疊結構，其中包括具有由AIGaAs形成的pn結的頂層電池；以及具有由GaAs形成的pn結的底層電池。
光敏元件在單個GaAs晶片上形成，然后切成約1cm×1cm的大小，并且處于形成傳感器單元之前的狀態。日光模擬器的有效照射面積為約10cm×10cm。輻射度的時間變化比為±1％或更小，輻射度的位置變化為±2％或更小。
使用已知的電子負荷作為電源103。通過個人計算機使電壓波動。對于電壓和電流檢測儀101和102，使用電阻器-模數轉換卡組合，通過個人計算機獲得測量電壓和電流的數據。采用上述配置，得到光敏元件的電流-電壓特性。
制備100個具有相同尺寸的層疊光敏元件，從中選一個具有平均輸出特性和光譜響應的光敏元件并用作參考電池。事先用多光源方法測量參考電池在標準測試條件下的電流-電壓特性。
當參考電池的面積制作得與試樣的相匹配時，任何因日光模擬器的輻射度的位置變化引起的誤差可大幅降低。
對于輻射度檢測儀，使用參考電池，并且日光模擬器的輻射度調節到1000W/m2，以便參考電池的最大功率與在標準測試條件下的相匹配，即滿足修正方法的上述公式(11)。
在基片的下表面上設置銅塊和珀爾帖元件，以調節試樣和參考電池的溫度到25℃±1℃。
因而，此實例與上述輻射度可以調節的情形相對應。由于輻射度以及電池和試樣的溫度調節到1000W/m2和25℃，因此對于所得到的電流-電壓特性進行輻射度修正和溫度修正就沒必要了。
對由上述測量所得到的光敏元件輸出特性的計算結果在圖17的功率校正測量列中示出。
作為與本實施例測量方法的比較，根據與上述實例相同的程序進行測量，不同地是，日光模擬器的輻射度通過匹配參考電池的短路電流來調節，而不是通過匹配最大功率以滿足公式(11)來調節。圖17在電流校正測量列中示出測量結果。
用多光源方法測量光敏元件在標準測試條件下的電流-電壓特性。從這些結果得到的輸出特性Pm、Voc、Isc和FF與圖17的功率校正測量和電流校正測量中所示的輸出特性相比較。圖18示出比較結果。
從圖18所示結果明顯看出，根據本實施例的測量方法，即使在使用普通日光模擬器時，不用多光源方法進行測量也可得到與使用多光源方法所得到的結果幾乎相同的準確的最大功率測量結果。
在此實例的功率校正測量中，由于強調最大功率測量，最大功率測量準確度變得比常規電流校正測量更高，盡管短路電流和占空因數也包含誤差。
此實例的功率校正測量是簡單的測量程序，測量所需的時間縮短，在短時間內可測量若干試樣。因而，此方法適用于生產線的檢查系統，此系統必須自動測量若干試樣。
如上所述，根據本實施例的測量方法，可準確測量層疊光電轉換器件的輸出特性。另外，與多光源方法不同，由于不用任何昂貴的測量裝置也能獲得等效的測量準確度，因此成本降低。進而，與多光源方法或標準目光方法不同，盡管既不需要復雜的控制也不需要嚴格選擇測量條件，也可獲得等效的測量準確度并有利于測量進行。
在層疊光電轉換器件的單個半導體結中，當在光照射下用于限制層疊光電轉換器件短路電流的半導體結被定義成限流電池時，由于限流電池由測試器件和參考器件之間的相同半導體結形成，在待測試的層疊光電轉換器件和作為參考的層疊光電轉換器件之間的光譜響應的近似程度提高；短路電流和占空因數中的誤差減小；并且可提高層疊光電轉換器件的輸出特性的測量準確度。
顯而易見，只要不脫離本發明的精神和范圍，可廣泛制作很多不同的本發明實施例，容易理解，除了后附權利要求中所定義的之外，本發明不受其具體實施例的限制。
權利要求
1.一種測量待測試物體的光電轉換特性的方法，此測量通過改變作用到物體上的電壓并測量此物體的電流-電壓特性來進行，其中包括以下步驟在標準測試條件下得到參考物體的電流-電壓特性，此參考物體具有與測試物體相似的構造；在光照射條件下測量測試物體和參考物體的電流-電壓特性；以及根據測試物體和參考物體測量的電流-電壓特性、以及在標準測試條件下所獲得的參考物體的電流-電壓特性，計算測試物體的光電轉換特性。
2.如權利要求1所述的方法，其中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的占空因數的測量結果與其在標準測試條件下的占空因數之比，修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
3.如權利要求1所述的方法，其中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的最大功率的測量結果與其在標準測試條件下的最大功率之比，修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
4.如權利要求1所述的方法，其中，進一步包括調節用于光照射的準日光的輻射度的步驟，以使參考物體的最大功率大致等于參考物體在標準測試條件下的最大功率。
5.如權利要求1所述的方法，其中，測試物體為具有多個層疊的半導體結的光電轉換器件。
6.如權利要求5所述的方法，其中，在層疊的多個半導體結中，在光照射下用于限制測試物體短路電流的至少一個限流電池，由與參考物體限流電池相同的半導體結形成。
7.如權利要求1所述的方法，其中，參考物體是層疊光電轉換器件。
8.一種測量測試物體的光電轉換特性的測量裝置，該測量是通過在光照射下測量測試物體的電流-電壓特性來進行的，其中此裝置包括為控制作用到物體上的電壓而設置的電壓控制器；為檢測此物體的電壓和電流而設置的檢測儀；以及根據測試物體和參考物體測量的電流-電壓特性、以及參考物體已經事先在標準測試條件下測量的電流-電壓特性，為計算測試物體光電轉換特性而設置的計算器，其中參考物體具有與測試物體相似的構造。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的占空因數的測量結果與其在標準測試條件下的占空因數之比，所述計算器修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
10.如權利要求8所述的裝置，其中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的最大功率的測量結果與其在標準測試條件下的最大功率之比，所述計算器修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
11.如權利要求8所述的裝置，進一步包括用于光照射的準目光，其中，調節準日光的輻射度，以使參考物體的最大功率大致等于參考物體在標準測試條件下的最大功率。
12.如權利要求8所述的裝置，其中，測試物體是層疊光電轉換器件。
13.如權利要求8所述的裝置，其中，參考物體是層疊光電轉換器件。
14.一種用于測量待測試物體光電轉換特性的測量方法的計算機程序產品，該產品包括用于存儲計算機程序代碼的計算機可讀介質，該測量通過改變作用到物體上的電壓并測量此物體的電流-電壓特性而進行，其中，所述產品包括的處理程序代碼用于在標準測試條件下獲得參考物體的電流-電壓特性，此參考物體具有與測試物體相似的構造；在光照射下測量測試物體和參考物體的電流-電壓特性；以及根據測試物體和參考物體測量的電流-電壓特性、以及在標準測試條件下所獲得的參考物體的電流-電壓特性，計算測試物體的光電轉換特性。
15.如權利要求14所述的產品，其中，在所述計算處理程序代碼中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的占空因數的測量結果與其在標準測試條件下的占空因數之比，修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
16.如權利要求14所述的產品，其中，在所述計算處理程序代碼中，根據參考物體的短路電流的測量結果與其在標準測試條件下的短路電流之比、以及參考物體的最大功率的測量結果與其在標準測試條件下的最大功率之比，修正測試物體的電流-電壓特性的測量結果，由此計算測試物體的光電轉換特性。
17.如權利要求14所述的產品，其中，進一步包括對用于光照射的準日光的輻射度進行調節的處理程序代碼，以使參考物體的最大功率大致等于參考物體在標準測試條件下的最大功率。
全文摘要
對于適用于測量層疊太陽能電池的光電轉換特性的多光源方法,待測試的太陽能電池的光吸收面積受限于實驗室水平的最小面積,并且此方法難以測量面積大于400cm
文檔編號G01R31/308GK1331488SQ0112213
公開日2002年1月16日 申請日期2001年7月4日 優先權日2000年7月4日
發明者松山深照 申請人:佳能株式會社