中日合作交流樱花系统

本次出访是由日本先进产业技术与科学研究院（National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology , AIST）新能源与环境研究所邀请，经由日本科技部樱花计划，前往日本与日本先进产业技术与科学研究院新能源与环境研究所光伏中心的量测标准小组研究员猪狩真一先生进行共同研究，内容包括世界光伏基准（World Photovoltaic Scale，WPVS）光伏参考电池的一级校准技术及评价方法、光谱仪的性能评价以及光谱辐射照度标准灯的评价。

在2015年10月，我院光伏中心参与了由台湾工研院量测中心组织，日本AIST、台湾工研院和我院光伏中心参加的WPVS参考电池亚太地区比对，两个WPVS参考电池的比对结果均为满意，En值为0.08和0.21，校准值基本与作为参考值的AIST测量值非常接近。因此猪狩真一先生邀请本次比对的主要校准人员赴日本进行共同研究。

猪狩先生代表AIST参加了第一次世界范围的WPVS参考电池的比对，比对结果满意，使得AIST成为了世界范围内具备WPVS参考电池一级校准资格的四家机构之一（其余三家为我国的中科院天津十八所，德国PTB，美国NREL）。借助于日本长期以来各种光源的研发和生产实力，AIST采用的校准方法是太阳模拟器法。该方法是国际标准IEC60904-9:2009里推荐的四种一级校准方法之一，校准过程相对简单，不确定度分量也较少，测量不确定度仅次于PTB采用的分光光谱响应DSR法。

这次访问交流，主要的内容是：1.评估我方带去的两片中国产WPVS参考太阳电池；2. 评估中国计量院校准过的标准灯的光谱辐射照度曲线；3. 评估我方带去的分光辐射仪特性；4. 分析上次比对双方校准方法的操作流程和可能提高测量准确性的手法。

1.     模拟器法评估WPVS参考太阳电池

模拟器法校准的主要测量项目包括对被校准电池的光谱响应测量和短路电流测量，太阳模拟器光源的光谱分布测量，太阳模拟器光源的辐照度测量。对太阳电池的辅助评估项目包括电流输出信号稳定性评估，温度输出信号稳定性评估，电池封装玻璃多重反射特性评估，电池内温度与温控设备设定温度之间偏差评估等。主要测量项目得到的数据用于计算最终校准值，辅助评估项目得到数据用于校准值的修正以及不确定度评估计算。

从上世纪九十年代初，AIST就开始了模拟器法的不断完善。太阳模拟器从最初的AAA级太阳模拟器进化到具有超高稳定度（8小时辐照度波动低于0.1%）的A+A+A+级太阳模拟器，到现在主力使用的超稳定、高准直（光出射准直半角0.8度）A+A+A+级太阳模拟器，为的就是在主要设备的性能上追求极致，以尽力提高测量准确度，降低测量不确定度。

得益于日本国家计量机构也在AIST内，一开始该团队就得以获得量传等级很高的三盏光谱辐射照度标准灯，因此在太阳模拟器模拟光源的光谱分布测量上，猪狩先生的团队的起点较高。另外该团队在上世纪90年代末就使用五组三光栅单光仪搭建了五通道的大型分光辐射仪，用于三盏光谱辐射照度标准灯对工作标准灯的量传，以及对太阳模拟器光谱辐射照度的测量。在我国的计量系统，光谱辐射照度的量传基本使用了美国G&H公司的OL750双三光栅单色仪作为中间测量系统，AIST则不满足于使用现成的商用设备，而是希望自己从设备和零部件层面搭建了光谱辐射照度测量系统，为了得到最原始的测量数据，测量软件也全部自己编写。我光伏中心使用了目前主流的科研级双通道分光辐射仪，用于户外阳光和太阳模拟器的光谱分布测量，（250~2000）nm测量偏差不超过5%，在AIST，（250~3000）nm测量偏差不超过3%，且基本集中在300nm以下的UVB波段，300nm以上测量偏差不超过1%。

为了精益求精，该团队最近承担的科研计划，是量传过程完全跳过标准灯，直接用定点高温黑体炉对分光辐射仪进行量传，且使用六台高精度三光栅单光仪完全重新搭建了一套六通道分光辐射仪。通常太阳模拟器法对参考电池进行一级校准，光谱适配引起的不确定度分量只为0.2%-0.3%左右，该团队的上述努力，为的就是将原来0.2%的不确定度分量进一步降低大概0.05%-0.08%。

测量参考电池光谱响应的的测量也很有特点。该测量项目选用与日本分光计器公司共同研发的光谱响应测量系统，分别使用三台锁相放大器测量标准探测器、中间媒介参考电池，以及被测参考电池的交流输出，而同类设备一般使用两台锁相放大器，甚至采用一台锁相放大器进行时分复用式测量，好处是结构简单投入少，缺点是或许要切换接线，单个器件测量的采样率降低；上述器件的直流输出测量采用独立的数字多用表进行，而同类设备基本采用锁相放大器的直流测量功能，好处同样是结构简单投入少，缺点是锁相放大器的直流测量功能一般准确度稍低，显示位数也少；该系统测量流程为单光仪设定好某一波长的单色光，自动切换轨道就会先将标准探测器送到测量位置测量对该波长的响应，之后切换成待测参考电池进行测量，再之后切换回标准探测器测量第二次验证重复性，软件判断数据重复性复合要求，则调节单光仪到下一波长，进行下一轮切换和测量。这样能保证短时间内对同一波长的单色光进行了标准器和待测电池的测量，而监控探测器也同样没有省略，这样就进一步减低了单色光稳定性对测量的影响。而同类产品几乎无一例外地选择用标准器和待测电池分别对全波段（300~1200）nm的扫描，虽然有监控电池，但增大了由于监控电池自身的波动引起的测量准确度下降风险。而单一波长下完成标准器和待测电池的切换测量，则增加了自动位移机构，且要求位移精度不低于0.1mm。另外为了保证测量准确性，单色光不均匀性能保证3cmX3cm面积下不超过1.0%。我院光伏中心的DSR系统，需要在延长单色光透射距离到1.5m的距离下，才能使得波长500nm，550nm和600nm三个波长的不均匀度在2cmX2cm均低于1.0%，而AIST实现上述性能的前提是光路距离不超过50cm，目的是为了不大幅削弱单色光强度，提高测量信噪比。最后一个特点是，该测量系统的白色偏置光直接使用AAA级太阳模拟器，而IEC60904-4对DSR法的偏置光要求也只有CBA等级，一般同类设备均使用金属卤素灯作为偏置光。一般小光斑AAA级太阳模拟器售价不低于40万人民币，这个代价几乎就能采购一台完整的光谱响应测量系统。

最后一个主要测量项目也是最重要的一个，就是太阳模拟器辐照度测量。使用太阳模拟器法校准，测量辐照度的设备室腔体辐射计。腔体辐射计最早是气象部门用于环境监测中对太阳光直接辐射的测量。世界气象组织每5年在瑞士达沃斯进行世界范围的国家气象局腔体辐射计和总辐射表的比对，作为阳光辐射的最高溯源等级。然而用于户外测量的腔体辐射计的设计要考虑运输和使用时的环境影响，内部结构以结实牢固为主，响应时间也没有特别要求，感光器件加热和电热器件加热然后计算等效辐照度的时间一般比较慢，经常超过1分钟。针对这些问题，AIST与日本石川产业共同研究出适合室内太阳模拟器辐照度测量的腔体辐射计，重新设计了腔内感光元件的结构，提高了均匀性和放置水平度，改进了加热线圈的缠绕方案，并精确测定感光元件受光面距离腔体外开孔的距离，以保证后续的测量位置设定精度。目前使用的腔体辐射计已经是第二代改进产品，能兼顾室内和室外测量，具备主动测量和被动测量两种模式，满足室内快速测量和室外慢速测量的要求。AIST具备的两台腔体辐射计每次均参加达沃斯的比对，而日本气象局只派出一台腔体辐射计。如此种种改进，保证了辐照度测量不确定度低于0.2%，远低于二级校准时使用参考电池测量太阳模拟器辐照度的测量不确定度（约为0.7%-1.0%）。

图 1. 评价WPVS标准电池稳定性

为了进行辅助评估测量，完善不确定度评估实验，研究团队开发了很多专门的测量设备。如前面提到的高准直太阳模拟器，就为该团队与日本山下电装共同研发，目前除了用于参考电池短路电流的校准，也能用于参考电池多重反射对短路电流影响的评价。用于这个评价的还有一个专门设计制作的自动偏转平台，偏转角度从（-20~20）°，偏转准确度0.1°。在访问的第一周，猪狩先生的实验室再引进了一台4光源的A+A+A+级太阳模拟器，可精确设定辐照度范围覆盖（100~1200）W/m^2，比目前使用的切换滤光片的方式更准确更高效率，今后用于精确测定参考电池短路电流关于辐照度的线性度，以评价待测参考电池是否适合用于量传。

最终，使用太阳模拟器法校准了我院带去的两块参考电池，初步未经修正的校准值分别为131.90mA和122.99mA，与出发前我院测得的未修正值131.36mA和122.89mA差别很小，偏差分别为0.4%和0.08%，对参考电池来说属于正常范围。

2.     光谱仪性能评价

关于光谱仪的性能评价，主要进行了光谱仪测量结果关于辐照度变化线性程度的评价以及不同积分时间下光谱仪测量偏差的评价。这项实验使用超高稳定性太阳模拟器，好处是长时间稳定性很高，基本可以忽略测量过程中光源波动带来的测量重复性问题，且配套的滤镜组能实现95%、90%、80%、70%、…、10%的辐照度输出，有利于大范围辐照度线性实验。而一般A级太阳模拟器的长期稳定性基本在1%以上，不稳定性对测量重复性的贡献更明显，辐照度变化范围一般也只有80%、50%和20%几档。实验发现我院的分光辐射仪在465.43nm、554.11nm、760.79nm、821.54nm和880.12nm等波长出现非线性特性，评估后认为不影响用于为太阳模拟器评级的相对光谱响应测量，但用于绝对光谱响应测量则有一定风险，需联系仪器厂商进行调修后重新校准。从不同积分时间下的测量结果评估结果则可知，对稳态模拟器，积分时间选择在3ms-9ms为宜，过低和过高均出现波形失真。积分时间超过15ms甚至可能得到错误的光谱匹配评判结果。

图2. 评价我方带去的光谱仪

3.     光谱辐射照度标准灯评估

为了评价两国的光谱辐射照度测量溯源的差异，用该研究团队新搭建的6通道分光辐射仪对我院刚从中国计量院校准完毕的光谱辐射照度标准灯进行测量。测量分两部分，首先是保留6通道分光辐射仪原有的日本校准设定文件直接测量，得到第一条光谱分布曲线。之后导入我院的标准灯的标准光谱分布并对光谱仪进行校准，之后再对标准灯进行测量得到第二条光谱分布曲线。两条测得曲线与中国计量院给出的光谱分布曲线进行比较。初步比较的结果是基本吻合，详细结果要后续进行进一步计算修正后得出。

图3. AIST的标准灯

综上所述，AIST具备世界认可的WPVS参考太阳电池一级定标资格，实验人员、实验室设备和评价方法水平都很高，但仍在想方设法继续提高，让本人获益良多。该单位与各个设备制造商合作紧密，有利于共同提高测量能力和测量方法精细化的持续进步。实验室主任研究员猪狩真一先生在光伏领域方面非常博学，对本人提供了很多具有启发性的指引；研究员周泓女士熟悉各种试验和评价方法，在交流期间对本人的专业和生活上提供了很多有益的帮助。

作为我国唯一的光伏产业计量测试中心，本身有相当的测量技术积累，起点也相对较高，只要认清光伏行业的发展方向，逐步实现各阶段的目标，长期的发展来看是有能力达到AIST具备的测量校准水平的。AIST的模拟器法校准和评价手段，有不少也是能供我院已具备的DSR法借鉴的，有利于该方法的进一步完善。如今后掌握成熟的模拟器法一级校准技术，配合已有的DSR法，则可以两种高等级的室内校准方法互相验证和提高，具备世界范围内一流的光伏溯源能力和溯源等级，更好地为我国光伏产业服务，促进行业提升。

图4. 与研究员猪狩真一先生和周泓女士在AIST太阳能中心内合影