溫天成，張書鋒，劉 民，盧佳林，王 凱，鄧星亮，唐友東

（北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100086）

1 引 言

太陽電池是一種將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的光學(xué)器件，目前廣泛應(yīng)用在各類航天器中［1］，對于以太陽電池（陣）作為主要能源的航天器來說，最重要的就是準(zhǔn)確地測試太陽電池的電性能參數(shù)，太陽電池電性能參數(shù)將直接影響到航天器的尺寸、動力學(xué)特性、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，對于航天器設(shè)計(jì)研制有著重要意義。 太陽電池電性能測試的準(zhǔn)確性取決于航天用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定數(shù)據(jù)以及量值傳遞的準(zhǔn)確性，其應(yīng)用示意圖如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池應(yīng)用示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard solar cell application

航天用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的空間標(biāo)定，即在大氣質(zhì)量為零（Air Mass Zero，AM0）光譜、光照強(qiáng)度為1 367 W／m2、溫度為（25 ±1） ℃的條件準(zhǔn)確測量太陽電池的短路電流也稱為標(biāo)定值，從而得到在真實(shí)的空間環(huán)境中標(biāo)定的一級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池。 得到的一級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，可依據(jù)QJ 1018—86《標(biāo)準(zhǔn)太陽電池》、GB／T 64950. 2—1996《光伏器件 第2 部分：標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的要求》和JJG 5—2011《標(biāo)準(zhǔn)太陽電池檢定規(guī)程》在地面通過太陽模擬器，將標(biāo)定值傳遞給二級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，從而建立整個(gè)航天用太陽電池的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。 但是當(dāng)一級太陽電池由于老化、損壞等不可抗力原因損壞，無法用太陽電池調(diào)節(jié)太陽模擬器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)光譜時(shí)，太陽模擬器法就不再可行。 地面標(biāo)定法可以在室外環(huán)境進(jìn)行高精度太陽電池標(biāo)定，得到地面標(biāo)定下的一級太陽電池，建立可靠的地面標(biāo)定量值溯源體系。

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定方法分為高空（空間）標(biāo)定和地面標(biāo)定方法，主要方法如圖2 所示。

圖2 AM0 標(biāo)準(zhǔn)電池的標(biāo)定方法框圖Fig.2 Block diagram of AM0 standard solar cell calibration method

高空（空間）標(biāo)定方法，是溯源到真實(shí)AM0 陽光條件，空間站標(biāo)定、高空氣球標(biāo)定、高空飛行器標(biāo)定都是為了將太陽電池送入高空或太空中，減小地球大氣層對太陽光的散射吸收作用，讓太陽電池在最真實(shí)的AM0 陽光條件下進(jìn)行標(biāo)定，這樣標(biāo)定的結(jié)果最接近太陽電池本身的電性能。 在2004 年至2014 年期間，國際空間站開展了三次太陽電池電性能測試，2019 年，中國首次開展衛(wèi)星平臺上的太陽電池標(biāo)定研究。 高空氣球標(biāo)定法是利用高空氣球?qū)⒋龢?biāo)定太陽電池送往指定的高空環(huán)境中［2］，在36 km的平流層測量其輸出短路電流，測量完成后回收太陽電池并用于參考標(biāo)準(zhǔn)。 由于36 km 左右的高空非常接近AM0 的陽光條件，因此廣泛作為各種實(shí)驗(yàn)室任務(wù)。 但高空氣球標(biāo)定的缺點(diǎn)也很明顯，實(shí)驗(yàn)操作難度大，成本高昂，需要高空氣球或飛機(jī)等昂貴的運(yùn)載工具。 相比之下，地面標(biāo)定方法是在地面直接陽光下測試太陽電池短路電流、溫度等參數(shù)，最后溯源到標(biāo)準(zhǔn)AM0 陽光條件，從而得到航天用一級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和一級標(biāo)準(zhǔn)子太陽電池。 相比于高空（空間）標(biāo)定來說，地面標(biāo)定方法操作簡便，成本低廉，在室外陽光直射下或室內(nèi)太陽模擬器下都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目前已納入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15387：2005 《Space systems—Single?junction solar cells—Measurement and calibration procedures》［3］。

為了滿足航天標(biāo)準(zhǔn)太陽電池準(zhǔn)確可靠的地面標(biāo)定量值溯源需求，研究了新型的太陽電池地面標(biāo)定測試設(shè)備，并進(jìn)行了地面標(biāo)定試驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，為建立航天標(biāo)準(zhǔn)太陽電池地面標(biāo)定量傳體系奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 地面標(biāo)定法原理與步驟

2.1 測量原理

地面標(biāo)定法的基本原理主要為：

地面標(biāo)定法原理框圖如圖3 所示。 由于標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定是在AM0，25 ℃的情況下進(jìn)行，但是受到室外環(huán)境的影響，很難達(dá)到這個(gè)條件，因此要進(jìn)行溫度、輻照度和光譜輻照度。 根據(jù)當(dāng)前標(biāo)定時(shí)太陽電池測試溫度進(jìn)行溫度修正至25 ℃，再通過地面標(biāo)定裝置獲取太陽電池的短路電流測量值ISC（AMx），通過量子效率儀獲取太陽電池的相對光譜響應(yīng)測量值SR（λ），在通過查詢標(biāo)準(zhǔn)AM0 陽光光譜輻照度獲取ERef（λ），地面直接陽光輻照度E通過太陽總輻射傳感器得到，而地面直接陽光光譜輻照度測量值E（λ）是通過光譜分析儀得到。

圖3 地面標(biāo)定法原理框圖Fig.3 Block diagram of ground calibration method

有了以上參數(shù)，就可以進(jìn)行光譜修正和輻照度修正，將當(dāng)前大氣AMx 條件下的短路電流值修正到AM0 標(biāo)定短路電流值，至此，完成了AM0 標(biāo)準(zhǔn)陽光條件下的太陽電池標(biāo)定。

2.2 測量步驟

地面標(biāo)定法標(biāo)定主要步驟包括［4］：

1）將帶底座的標(biāo)定太陽電池安裝在準(zhǔn)直孔后端；

2）將裝有標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的準(zhǔn)直孔、太陽輻照計(jì)、光譜儀安裝在太陽跟蹤器上；

3）啟動太陽跟蹤器，持續(xù)跟蹤對準(zhǔn)太陽，保證裝有標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的準(zhǔn)直孔與陽光光線平行，偏差小于0.5 °立體角；

4）開啟溫控裝置，將標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的溫度控制在25 ℃±1 ℃；

5）確認(rèn)直接陽光輻照度不低于750 W／m2；

6）在60 s 內(nèi)完成一次直接陽光的輻照度、光譜輻照度、標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流及溫度的測試；

7）重復(fù)測試至少5 次。

地面標(biāo)定裝置如圖4 所示，其中還包含光譜儀與數(shù)字萬用表。 在標(biāo)定過程中，要注意被標(biāo)定的太陽電池完全處于太陽光中，準(zhǔn)直孔的作用是保證入射到太陽電池片的太陽光趨于平行，內(nèi)壁是吸光材料，目的是減小內(nèi)壁太陽光散射對太陽電池標(biāo)定結(jié)果的影響。 由于地球自轉(zhuǎn)的影響，需要調(diào)節(jié)太陽跟蹤器來抵消誤差。 在標(biāo)定地點(diǎn)和時(shí)間的選擇上，選擇靠近赤道、陽光充足、視野開闊、沒有高空遮擋物的地理環(huán)境；在時(shí)間上來說，南北回歸線之間每年都會有太陽直射的時(shí)機(jī)，這時(shí)進(jìn)行太陽電池地面標(biāo)定可以保證太陽光的完全垂直入射。 為了確保標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)保證待標(biāo)定的太陽電池和太陽輻照計(jì)等標(biāo)定設(shè)備在同一平面內(nèi)，以此保證太陽跟蹤的同步性［5，6］。

圖4 太陽電池地面標(biāo)定裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground calibration equipment for solar cells

3 地面標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池選用北京東方計(jì)量測試研究所建立國防最高標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的單晶硅太陽電池，該太陽電池標(biāo)定數(shù)據(jù)依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)中高空氣球搭載標(biāo)定法獲得，測量范圍為（10～400） mA，不確定度為0.8 %（k＝2），穩(wěn)定性0.05 % ／年，由于外形封裝不同，分為兩種。 雖然兩種太陽電池封裝規(guī)格不同，大尺寸有（70 ×90） mm，小尺寸有（56 ×76） mm，但中心都是（2 ×2） cm 的單晶硅太陽電池片。 外部接口為電流電壓正負(fù)四線制連接。 背面裝有溫度傳感器，用數(shù)字萬用表測量電阻查表計(jì)算溫度。

3.2 太陽跟蹤器與太陽電池托盤

地面標(biāo)定的主要問題是如何讓太陽光在標(biāo)定過程中始終垂直照射在太陽電池上。 根據(jù)控制方式的不同，主要分為兩種跟蹤方法：一是傳感器跟蹤法［7，8］，通過傳感器在太陽光與接收板之間的光角度偏差產(chǎn)生反饋信號，經(jīng)過信號放大調(diào)理后，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，使接收板對準(zhǔn)太陽，通過實(shí)時(shí)反饋來調(diào)整接收板位置。 這種方法是閉環(huán)跟蹤，具有較好的實(shí)時(shí)性，但對室外環(huán)境要求較高，受天氣環(huán)境影響強(qiáng)烈，同時(shí)跟蹤精度取決于傳感器精度。 二是視日運(yùn)動軌跡跟蹤法［9－11］。 視日運(yùn)動軌跡跟蹤法，就是通過計(jì)算地球上某一點(diǎn)某個(gè)時(shí)刻太陽的相對位置，從而對太陽進(jìn)行跟蹤。 在地面標(biāo)定過程中，對太陽電池標(biāo)定時(shí)間相對較短。 為了方便室外攜帶使用，本試驗(yàn)中采用赤道儀HEQ5 作為太陽跟蹤器，中心抱箍位置放置筒形支架，將太陽電池托盤與筒形支架配合。 HEQ5 赤道儀則是視日運(yùn)動軌跡跟蹤法進(jìn)行太陽跟蹤，在不同地理環(huán)境時(shí)，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，時(shí)間等參數(shù)設(shè)置，整體精度良好，可滿足太陽電池標(biāo)定時(shí)間內(nèi)光入射角度0.5 °立體角要求。

太陽電池托盤的材質(zhì)為亞克力板，整體重量較輕，可搭載六塊太陽電池，用定制法蘭與筒形支架進(jìn)行配合，赤道儀轉(zhuǎn)動時(shí)，太陽電池托盤也隨之移動，保證太陽光直射到太陽電池上。

3.3 準(zhǔn)直孔

為了保證太陽光垂直入射太陽電池片，減小周圍散射光的影響，設(shè)計(jì)輕量化可拆卸式分層的黑色準(zhǔn)直孔，共5 層，每層10 cm，實(shí)物圖如圖5 所示。整體準(zhǔn)直孔與太陽電池托盤通過木棒進(jìn)行連接，達(dá)到可拆卸式目的，第一層準(zhǔn)直孔可籠罩兩種不同規(guī)格封裝的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，孔徑為10 cm，其余四層準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì)孔徑為4.5 cm，太陽電池片（2 ×2）中心位置處都能接受到太陽光的直射。

圖5 準(zhǔn)直孔圖實(shí)物圖Fig.5 Figure of collimation holes

3.4 溫度控制裝置

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定需要在25 ℃±1 ℃的環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定，為了控制所需溫度，太陽電池整體放置在小型冷水板（2 ×2） cm 上，冷水板放置太陽電池托盤上，兩端通過水管與冷水機(jī)進(jìn)行連接，在冷水機(jī)進(jìn)水位置增加溫度受控電磁閥。 在標(biāo)準(zhǔn)太陽電池中心位置采用粘貼式PT100 鉑熱電阻，當(dāng)室外環(huán)境溫度大于所設(shè)定25 ℃時(shí)，電磁閥開啟，維持溫度，可保證太陽電池片在標(biāo)定過程中溫度在25 ℃。所標(biāo)定的太陽電池采用水管串聯(lián)的方式，達(dá)到整體控溫的效果。 在標(biāo)定時(shí)用數(shù)字多用表測量PT100查表阻值記錄實(shí)際溫度T，溫度控制模塊原理如圖6 所示。

圖6 溫度控制模塊原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of temperature control model

3.5 太陽輻照計(jì)

太陽輻照計(jì)放置在太陽電池托盤與赤道儀連接管道里的位置，由亞克力板定制的輻照計(jì)支架承接，上下位置可由拉桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，筒形支架內(nèi)壁涂抹消光黑漆，使太陽輻照計(jì)接收到的光與太陽電池接收到的大致一致，太陽輻照計(jì)應(yīng)送檢到有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，溯源到低溫輻照計(jì)基準(zhǔn)上。

3.6 太陽電池片固定裝置

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在太陽電池托盤上跟隨太陽跟蹤器運(yùn)動時(shí)，為了保證其穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)膠木零件進(jìn)行固定，在太陽電池和冷水板下方，也有定制零件對其進(jìn)行固定，保證在標(biāo)定過程中不會因?yàn)樘栯姵仄囊苿佣鴮?biāo)定結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖7 所示。設(shè)計(jì)的零件可以通過手?jǐn)Q螺栓固定太陽電池片在承重板上，第一層準(zhǔn)直孔也可覆蓋，材料輕質(zhì)，不會對太陽電池片有所損壞。

圖7 固定太陽電池零件圖Fig.7 3D schematic diagram and picture of the part for fixing solar cells

3.7 光譜儀與量子效率測量裝置

光譜儀采用AVANTES 的AvaSolar－3 型號，可覆蓋（300～2 500） nm 的波段光譜，探測器可保證響應(yīng)一致性接近100 %，它的測量速度快，采樣時(shí)間最短可達(dá)2 μs。 可通過光譜儀進(jìn)行對地面光譜輻照度E（λ）的測量。

太陽能電池量子效率測試儀可以測試太陽電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，由光源、單色儀、標(biāo)準(zhǔn)探測器、鎖相放大器等組成。 在工作時(shí)，光源通過單色儀等可產(chǎn)生的單色光，單色光的波長的變化范圍可達(dá)（300～1 800） nm。 在測試時(shí)，單色光照射到太陽電池片上，同時(shí)測試太陽電池片兩端的發(fā)電電壓，可以得出太陽電池片在不同波長光下的電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)探測器的電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以計(jì)算得出被測太陽電池片的量子效率SR（λ），標(biāo)準(zhǔn)探測器應(yīng)送檢到有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，溯源到低溫輻照計(jì)基準(zhǔn)上。

4 結(jié)束語

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定對于航天器電源系統(tǒng)有著重要意義，對于以太陽電池板（陣）為主要供電電源的航天器來說，只有獲得準(zhǔn)確的太陽電池電性能參數(shù)才能更好設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)，而太陽電池標(biāo)定就是為了獲取它的電性能參數(shù)。 地面標(biāo)定方法則是傳統(tǒng)標(biāo)定方法中最為簡便的一種，它易操作，成本相對低廉，可復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)。 研制一種以可拆卸式分層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直孔、簡便的溫控系統(tǒng)、簡易可獲得材料為主體的符合國際標(biāo)準(zhǔn)上的地面標(biāo)定測試設(shè)備，對最高標(biāo)準(zhǔn)太陽電池計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)有著重要意義。