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TW201341817A - 太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源 - Google Patents

太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源 Download PDF

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TW201341817A TW101113306A TW101113306A TW201341817A TW 201341817 A TW201341817 A TW 201341817A TW 101113306 A TW101113306 A TW 101113306A TW 101113306 A TW101113306 A TW 101113306A TW 201341817 A TW201341817 A TW 201341817A
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I-Shih Tseng
Ching-Lin Lee
Ming-Chieh Lin
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Abstract

本發明的實施例揭露一種太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源，用來量測太陽能電池的轉換效率及光譜響應。測試系統包含：多功能測試光源、量測單元、及運算單元。多功能測試光源用來輸出模擬太陽光至太陽能電池以及非同步輸出多種窄頻光至太陽能電池。量測單元耦接於太陽能電池，用來量測太陽能電池對模擬太陽光的響應以及對多種窄頻光的響應。運算單元耦接於多功能測試光源及量測單元，用來依據太陽能電池對模擬太陽光的響應及對多種窄頻光的響應計算太陽能電池的轉換效率及光譜響應。

Description

太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源
本發明相關於太陽能電池，尤指一種太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源。
由於地球上可供發電的礦產(例如原油及煤礦)已快速耗竭，且火力發電的方式會持續加劇全球暖化，故研發及推廣永續性的替代能源已成為人類刻不容緩的任務。而在各種替代能源中，太陽能電池(solar cell)可算是較為普及的一種。
目前，不僅業者試圖提高太陽能電池的轉換效率(conversion efficiency)，市場上也多以轉換效率作為評價太陽能電池的品質優劣標準，舉例來說，轉換效率差距0.2%即可導致價格的明顯差異。為測試太陽能電池的轉換效率，一般會使用人造光源來模擬定義為AM1.5G的太陽光，明確地說，此人造光源係用來模擬太陽光以偏離頭頂約48.2度入射的狀況。然而，要調出一個發光狀態與標準AM 1.5G光譜一致的光源有實際上的困難，故在誤差上的容忍度也較大，例如在IEC60904-9的規範中，各波段誤差皆在25%以內即可定義為A級光源。在這類的規範下，幾個同樣被歸類為A級的AM 1.5G人造光源之間可能有相當大的差異，例如有些A級的AM 1.5G人造光源可能會在藍光上有較強的能量，有些A級的AM 1.5G人造光源則在紅光上有較強的能量。可想而知，使用這些A級光源來對太陽能電池進行分級間距為0.2%的分類，很可能會造成分級錯誤的情形。
不論使用同一個或多個A級光源來對多個太陽能電池進行測試，即使測試的結果顯示兩片太陽能電池具有相近的轉換效率，這兩片太陽能電池在不同波段上的光譜響應可能還是不同的，例如其中一片對藍光響應較佳，另一片則對紅光響應較佳。若將這兩片太陽能電池串聯在同一個太陽能電池模組中，無論是在藍光較強或紅光較強的環境，這兩片太陽能電池都會受限於兩者光譜響應間的差異而相互牽制，以致於無法產生預期的電能。
為避免錯誤分級，廠商還可額外測試太陽能電池的光譜響應(spectral response)，以推知其量子效率(quantum efficiency，QE)。然而，傳統的光譜響應量測方法常有速度過慢且成本過高的問題、故無法在太陽能電池的生產線上廣泛使用。
因此，對於太陽能電池的供應商而言，不僅需要有與AM1.5G差異較小且機台間差異較小的人造光源，還需要可以高速及低成本量測太陽能電池的光譜響應的測試系統及方法。
本發明的目的之一，在於提供太陽能電池測試系統、測試方法、及多功能測試光源，以解決上述問題。
本發明實施例揭露一種太陽能電池測試系統，包含有：一多功能測試光源、一量測單元、及一運算單元。多功能測試光源用來輸出一模擬太陽光至太陽能電池以及非同步輸出多種窄頻光至太陽能電池。量測單元耦接於太陽能電池，用來量測太陽能電池對模擬太陽光的響應以及對多種窄頻光的響應。運算單元耦接於多功能測試光源及量測單元，用來依據太陽能電池對模擬太陽光的響應及對多種窄頻光的響應計算太陽能電池的轉換效率及光譜響應。
本發明實施例還揭露一種多功能測試光源，包含有：一發光二極體陣列，包含有多種發光二極體；一混光系統；以及一驅動單元，耦接於發光二極體陣列，用來驅動多種發光二極體透過混光系統輸出一模擬太陽光、及驅動多種發光二極體透過混光系統非同步輸出多種窄頻光。
本發明實施例還揭露一種太陽能電池測試方法，包含有：驅動一多功能測試光源輸出一模擬太陽光至一太陽能電池，並量測太陽能電池對模擬太陽光的響應；驅動多功能測試光源非同步輸出多種窄頻光至太陽能電池，並量測太陽能電池對多種窄頻光的響應；以及依據太陽能電池對模擬太陽光的響應及對多種窄頻光的響應計算太陽能電池的轉換效率及光譜響應。
請參閱圖1。圖1為本發明一實施例的太陽能電池測試系統100的功能方塊圖。本實施例的太陽能電池測試系統100包含有一多功能測試光源110、一量測單元150、及一運算單元160，可用來測試一太陽能電池190。多功能測試光源110由一驅動單元120、一發光二極體(LED)陣列130、及一混光系統140所組成。簡單地說，在生產線上，太陽能電池測試系統100這單一套硬體設備可快速地量測每一片太陽能電池190的轉換效率及光譜響應，而由於使用了LED作為光源，太陽能電池測試系統100還有壽命長及低功耗(low power consumption)的優點。
LED陣列130包含有多種不同的LED，任一種LED可包含有一顆或多顆同種的LED，不同種LED可使用不同的驅動訊號。驅動單元120可驅動LED陣列130中部份或全部的LED同時發光，以輸出量測太陽能電池190的轉換效率所需的模擬太陽光，亦可以驅動LED陣列130中不同種LED非同步(asynchronously，亦即不一定同時)發光，以非同步輸出量測太陽能電池190的光譜響應所需的多種窄頻光(narrowband light)。舉例來說，為了能準確地模擬AM1.5G的太陽光，LED陣列130可包含有至少一種白光LED及至少十種窄頻光LED，窄頻光可定義為頻帶寬小於100nm的可見或不可見光，若一窄頻光為可見光，則其可具有特定的顏色，而非為白色，圖2的表格則列舉了LED陣列130中各種類LED的規格。
混光系統140用來將LED陣列130所產生的光均勻地照射於太陽能電池190上。其可為一長方體，其上底面直接連接LED陣列130、四個內側面可由四面銀反射鏡所構成、靠近太陽能電池190的下底面則可包含有分光鏡及增亮膜。
藉由量測太陽能電池190受模擬太陽光照射所產生的第一電訊號(其可為電壓及/或電流訊號)，量測單元150可得出太陽能電池對模擬太陽光的響應；藉由量測太陽能電池190受多種窄頻光非同步照射所產生的第二電訊號(其可為電壓及/或電流訊號)，量測單元150可得出太陽能電池對各種窄頻光的響應。運算單元160可以是一電腦，依據太陽能電池190對模擬太陽光的響應及對各種窄頻光的響應，運算單元160則可計算出太陽能電池190的轉換效率及光譜響應。此外，運算單元160可使用光譜響應為基礎，來推算太陽能電池190的量子效率、能隙(energy gap)、及/或載體擴散長度(carrier diffusion length)。運算單元160還可使用太陽能電池190的光譜響應來對轉換效率的量測誤差進行各別的修正。
由於LED陣列130中不同種LED可使用不同的驅動訊號，在驅動LED陣列130中多種不同的LED同時發光以產生模擬太陽光時，驅動單元120可以調整提供給不同種LED的驅動電流的大小及/或工作週期(duty cycle)，使得模擬太陽光的光譜分佈非常接近AM1.5G的光譜分佈，實際上，相較於AM1.5G的光譜分佈，模擬太陽光的光譜失配度(spectral mismatch)除吻合IEC60904-9的A等級外，甚至在各波段的誤差皆會落在5%以內。此外，不同機台的多功能測試光源110所產生的模擬太陽光間的差異也可收斂至最小。因此，即使使用多個的太陽能電池測試系統100來對多個太陽能電池190進行測試，也不太容易導致分級錯誤的情形。
而為了讓測試系統100可快速量測出太陽能電池190對多種窄頻光的響應，測試系統100還可應用分碼多工擷取(Code Division Multiple Access，CDMA)的技術。舉例來說，驅動單元120中可包含有一CDMA編碼器125，用來提供多組相互正交的碼(mutually orthogonal codes)作為驅動單元120驅動LED陣列130中多種窄頻光LED的基礎；量測單元150中可包含有一CDMA解碼器155，用來使用前述多組相互正交的碼來自前述第二電訊號中解碼出太陽能電池190對任一種窄頻光的響應。
舉例來說，若欲量測太陽能電池190對圖2所列舉的16種窄頻光LED提供的16種窄頻光分別的響應，則前述的多組相互正交的碼可為16組，而這16組碼可以是32×32的華許矩陣(Walsh-Hadamard Matrix)其中的16列。華許矩陣的列數與行數皆為2k，k為整數，矩陣中的值不是+1就是-1，扣除全為+1的第1列後所剩的(2k-1)列即為(2k-1)組相互正交的碼。以下分別列舉了2×2的華許矩陣、4×4的華許矩陣、及2k×2k的華許矩陣：
以下為CDMA編碼器125及CDMA解碼器155共用的16組相互正交的碼的例子：
a1=[1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1]
a2=[1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1]
a3=[1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1]
a4=[1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1]
a5=[1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1]
a6=[1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1]
a7=[1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1]
a8=[1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]
a9=[1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1]
a10=[1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1]
a11=[1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1]
a12=[1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1]
a13=[1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1]
a14=[1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1]
a15=[1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1]
a16=[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]
若以ai(n)來表示ai這組碼的第n個值，其中i為介於1與16的正整數，n為介於1與32的正整數，則以下三個式子皆會成立
a i(n)a j (n)=0；j為介於1與16的正整數但不等於i。
驅動單元120可使用ai這組碼來作為驅動LED陣列130中第i種窄頻光LED中任意數量顆LED的依據。由於每個碼都有32個值，故驅動單元120需將驅動LED陣列130的時段切成32分，包括T1、T2、T3、…、T32共32個子時段。若ai(n)=+1，表示驅動單元120在子時段Tn中會點亮LED陣列130中第i種窄頻光LED中一或多顆LED；若ai(n)=-1，表示驅動單元120在子時段Tn中不會點亮LED陣列130中第i種窄頻光LED。
若點亮LED陣列130中第i種窄頻光LED會導致太陽能電池190產生強度為li的光電流，則在子時段Tn中太陽能電池190受第i種窄頻光LED影響所產生的光電流Li(n)會是li×1/2×[ai(n)+1)]，亦即當ai(n)=+1時，Li(n)=li；當ai(n)=-1時，Li(n)=0。在子時段Tn中太陽能電池190受16種窄頻光LED影響所產生的總光電流L(n)會是{li×1/2×[ai(n)+1]}。
而對於介於1與16的任意正整數j而言，以下式子將會成立
由於L(n)是量測單元150量出的第二電訊號，a j(n)對於CDMA解碼器155而言是已知的值，故透過以上式子，CDMA解碼器155可得出點亮LED陣列130中第j種窄頻光LED所導致太陽能電池190產生的光電流lj。由於j可為介於1與16間的任意正整數，故CDMA解碼器155可得出點亮LED陣列130中任一種窄頻光LED所導致太陽能電池190產生的光電流。由於各種窄頻光LED被點亮時的發光強度及各種窄頻光LED的波段皆為已知，故運算單元160可依據量測單元150所提供的數據，計算出太陽能電池190的光譜響應。
由於上述每一組碼都具備數目各半的數值+1與-1，解碼過程中，環境光將有一半被乘以+1加入統計，另一半則被乘以-1而加入統計，而被抵銷，故測試系統100在量測太陽能電池190的光譜響應時並不易受到環境光的影響。
綜上所述，太陽能電池測試系統100這單一套硬體設備不僅可以提供準確的模擬太陽光以量測太陽能電池190的轉換效率，更可快速地量測太陽能電池190的光譜響應，且不同機台間的差異可收斂至最小，每一機台的壽命長、功耗低，故可應用於生產線上，對大量生產的太陽能電池190進行精確的分類，以確保每片電池在模組化後仍可發揮最大的發電效率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．太陽能電池測試系統
110．．．多功能測試光源
120．．．驅動單元
125．．．編碼器
130．．．發光二極體陣列
140．．．混光系統
150．．．量測單元
155．．．解碼器
160．．．運算單元
190．．．太陽能電池
圖1為本發明一實施例的太陽能電池測試系統的功能方塊圖。
圖2的表格列舉了圖1的LED陣列所包含的各種LED的規格。
100．．．太陽能電池測試系統
110．．．多功能測試光源
120．．．驅動單元
125．．．編碼器
130．．．發光二極體陣列
140．．．混光系統
150．．．量測單元
155．．．解碼器
160．．．運算單元
190．．．太陽能電池

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池測試系統，包含有：一多功能測試光源，用來輸出一模擬太陽光至一太陽能電池以及非同步輸出多種窄頻光至該太陽能電池；一量測單元，耦接於該太陽能電池，用來量測該太陽能電池對該模擬太陽光的響應以及對該多種窄頻光的響應；以及一運算單元，耦接於該多功能測試光源及該量測單元，用來依據該太陽能電池對該模擬太陽光的響應及對該多種窄頻光的響應計算該太陽能電池的轉換效率及光譜響應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之測試系統，其中該多功能測試光源包含有：一發光二極體陣列，包含有多種發光二極體；一混光系統，設置於該發光二極體陣列與該太陽能電池之間；以及一驅動單元，耦接於該發光二極體陣列，用來驅動該多種發光二極體透過該混光系統輸出該模擬太陽光、及驅動該多種發光二極體透過該混光系統非同步輸出該多種窄頻光。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之測試系統，其中該驅動單元包含有一編碼器，用來提供多組相互正交的碼作為該驅動單元驅動該多種發光二極體非同步輸出該多種窄頻光的依據，且該量測單元包含有一解碼器，用來使用該多組相互正交的碼來從該太陽能電池對該多種窄頻光的響應解碼出該太陽能電池對該多種窄頻光中任一種的響應。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之測試系統，其中發光二極體陣列包含有至少一種白光發光二極體及至少十種窄頻光發光二極體。
  5. 一種多功能測試光源，包含有：一發光二極體陣列，包含有多種發光二極體；一混光系統；以及一驅動單元，耦接於該發光二極體陣列，用來驅動該多種發光二極體透過該混光系統輸出一模擬太陽光、及驅動該多種發光二極體透過該混光系統非同步輸出多種窄頻光。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之測試光源，其中該驅動單元包含有一編碼器，用來提供多組相互正交的碼作為該驅動單元驅動該多種發光二極體非同步輸出該多種窄頻光的依據。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之測試光源，其中發光二極體陣列包含有至少一種白光發光二極體及至少十種窄頻光發光二極體。
  8. 一種太陽能電池測試方法，包含有：驅動一多功能測試光源輸出一模擬太陽光至一太陽能電池，並量測該太陽能電池對該模擬太陽光的響應；驅動該多功能測試光源非同步輸出多種窄頻光至該太陽能電池，並量測該太陽能電池對該多種窄頻光的響應；以及依據該太陽能電池對該模擬太陽光的響應及對該多種窄頻光的響應計算該太陽能電池的轉換效率及光譜響應。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之測試方法，其中該多功能測試光源包含有一發光二極體陣列，該發光二極體陣列包含有至少一種白光發光二極體及至少十種窄頻光發光二極體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之測試方法，另包含有：使用多組相互正交的碼作為驅動該多種窄頻光發光二極體非同步輸出該多種窄頻光的依據；以及使用該多組相互正交的碼來從該太陽能電池對該多種窄頻光的響應解碼出該太陽能電池對該多種窄頻光中任一種的響應。
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