专利名称：太阳能电池光谱响应量测法、测量仪及光源衰减补偿法的制作方法
太阳能电池光谱响应量测法、测量仪及光源衰减补偿法
技术领域：
本发明是关于一种太阳能电池量测装置及方法，特别是一种太阳能电池光谱响应量测方法、测量仪及光源衰减补偿法。
背景技术：
由于全球工业化、天然资源消费过度，二氧化碳排放过量，导致全球暖化状况严重。因此替代能源例如太阳能、风力、水力...等的开发及提升使用效率，对于环境保护更显重要，其中，又以太阳能发电最为普及。目前，不仅业者不断试图提高太阳能电池的转换效率，市场上也多以转换效率作为评价太阳能电池的品质优劣标准，因此，转换效率差距
0.2%即可导致价格明显差异。如图1所示为太阳光光谱，由于太阳光经过地球表面的大气层偏折与吸收后，光谱表现会有所改变，此种改变与太阳光入射角度亦有关联，为能正确评估及定义所谓标准太阳能光谱，目前采取空气质量(AM = 1/cos θ )作为参数，用来界定太阳光经大气层吸收后的光谱表现与总体能量值，并作为太阳能电池置放于地球表面上所能吸收的太阳光总体
能量参考值。因此如图2所示，当太阳光从正上方向下直射时θ =0，便定义为AM(气团)1 ；目前用以量测太阳能电池转换效率的模拟光源，是被定义为模拟AMI. 5G的太阳能光谱，亦即模拟太阳光以偏离头顶约48. 2度入射的状况，经测量其光谱总照度约为963. 75W/m2。AM
1.5G的太阳能光谱中，主要能量分布是在可见光领域。因为太阳能电池的价格是以能量转换效率为标准，如何使得测试过程精确且迅速，无疑是业界所追求向往的目标。但考虑太阳光或任何模拟器都不是单一波长发光，故理论上，要正确量测一片太阳能电池的能量转换效率，必须兼顾每一波长的能量转换效率，并依照各波长的权重加权计算，才能获得符合各待测太阳能电池真实响应的结果；另方面，若用以模拟太阳光的太阳光模拟器本身精度不高，由不准确的光源所发光而量得的结果自然不尽可靠。不幸地，要调出一个发光状态与标准AM 1. 5G光谱一致的光源有实际上的困难， 尤其目前使用高压放电灯作为光源，长期使用后，不仅发光亮度会因老化而衰减，中心波长也会逐渐漂移。所以如欧盟对实验室量测的太阳能光源规范IEC60904-5中，定义光谱误差 25%以内即为ClassA光源，相较于上述太阳能电池的效率分级间距为0.2%，可以推知即使使用ClassA光源，依然会造成极为明显与严重的分级错误情形。为避免错误分级，可以考虑逐一量测待测太阳能电池的各波长响应，从而加权组合出其精确的整体能量转换效率，目前在实验室内操作时，可以选择使用如图3所示架构， 藉由单光仪10中狭缝11与15、镜面12与14及光栅13彼此相关角度的调整，使得所需要的波长成分被单独分离；随后将此成分经分光镜(图未示)分光，分别入射到一个已知响应的标准片(图未示)以及待测物(图未示)，比较两者的电流输出，并由此推算待测物对于该特定波长的响应；再逐一扫描各波长，从而量得该待测太阳能电池的实际光谱响应。但这
5种方式须机械式调整镜片角度，并且针对各波长逐一量测，使得速度过慢、成本过高、尤其产出效率过低，完全无法于太阳能电池生产线中正式使用。更进一步，即使两片太阳能电池具有不同的光谱响应，假设其中一片对于红光响应较佳，另一片则对于蓝光响应较佳，但在依照上述AM 1. 5G之光谱照射并加权运算后，仍可能获得相同的总体能量转换效率数值，并且依照目前的分类分级而被归为同一级产品， 随后被共同组装至同一模组中。然而，在这两片太阳能电池被组合在同一太阳能电池模组后，因为串联发电过程中，电流量会彼此相互局限，无论是蓝光较强或红光较强的环境，这两片太阳能电池将会受限于彼此的光谱响应差异而相互牵制，在任何光照条件下都无法转换出预期的电能，造成模组化后的整体能量转换效率因而劣化，低于原先各单片太阳能电池的转换效率。换言之，若在分类太阳能电池时，仅考虑其总和的能量转换效率，在后续模组化流程中，仍会引入个别光谱响应差异所造成的效率降低，使得组合多片太阳能电池而成的太阳能模组效能劣化而不如预期。因此，若在测试过程中能准确且快速量测每一片待测太阳能电池的光谱响应，藉以正确得到一个能量转换效率「函数」，不仅可将AM 1. 5G的光谱分布代入而得到精确的总和能量转换效率，使得所有受测太阳能电池被正确定价；还可以进一步协助业者精密分类所有太阳能电池，使得被正确归类的个别太阳能电池在组合成模组后，不会彼此牵制，让制成的太阳能电池模组整体能量转换效率符合预期。尤其测试时间短，产出效率高，使得太阳能电池的量测得以配合自动化量产的需求，从而使太阳能电池分类分级技术大幅精进，具体改善太阳能电池产业量测不准确的问题。
发明内容本发明的一个目的，在于提供一种可以精确量测太阳能光谱响应的量测方法，藉以提供受测太阳能电池的正确能量转换效率数值。本发明的另一目的，在于提供一种可以精确量测太阳能光谱响应的量测方法，容许使用者可以自行代入特定光谱，获得该种特定状况下，待测太阳能电池的能量转换效率数值。本发明的又一目的，在于提供一种可以精确量测太阳能光谱响应的量测方法，从而提升太阳能电池的分类分级标准。本发明的再一目的，在于提供一种可以精确量测太阳能光谱响应的测量仪。本发明的又另一目的，在于提供一种能精确检测各波长LED衰减程度、并分别加以补偿、从而确保光源精度的太阳能电池光谱响应测量仪。本发明的又再一目的，在于提供一种可以精确检测各波长LED衰减程度，以在无法提升发光强度补偿时，藉由改变各成分的增益比例而补偿光源衰减的太阳能电池光谱响应测量仪。本发明的更一目的，在于提供一种精确吻合标准太阳光模拟器光谱规范的太阳能电池测量仪用光源。本发明的又更一目的，在于提供一种可以随意改变，藉以模拟任何特定光谱分布的太阳能电池测量仪用光源。
本发明是一种太阳能电池光谱响应量测方法，以一组LED元件阵列作为光源，供照射到至少一片待测太阳能电池，且该LED元件阵列包括至少一组具有多个LED元件的LED 元件组，前述所有LED元件所发的光分别对应至复数个数目小于或等于前述LED元件总数、 且彼此的中心波长相异的发光波段，该方法包括下列步骤a)以一组包括复数彼此正交、 且输出功率对应至少一个已知功率之测试讯号资料，分别同步点亮上述LED元件组中的各别LED元件；b)将该待测太阳能电池在该LED元件组受该组测试讯号资料点亮时段的感测值转换为一组测得电讯号输出；及c)以一处理装置由该组测得电讯号中，分离出分别来自该LED元件组的各上述LED元件的分量，并与对应该组测试讯号资料的上述输出功率及/ 或该对应LED元件所发光能比对，获得该待测太阳能电池在前述各发光波段的波长响应。而适用该方法的一种太阳能电池光谱响应测量仪，是供检测至少一片待测太阳能电池，包括一组LED元件阵列，包括至少一组具有多个LED元件的LED元件组，前述所有 LED元件所发的光分别对应至复数个数目小于或等于前述LED元件总数、且彼此的中心波长相异的发光波段；一组用以提供复数彼此正交、且输出功率对应至少一个已知功率的测试讯号资料，供同步分别点亮上述LED元件组中的各别LED元件的驱动装置；及一个接收该待测太阳能电池在该LED元件组受该组测试讯号资料点亮时段的感测值所转换为的测得电讯号；并由该组测得电讯号中，分离出分别来自上述个别LED元件的分量，并与对应该组测试讯号资料的上述输出功率比对，获得该待测太阳能电池在前述各发光波段的波长响应的处理装置。本发明所揭示的太阳能电池光谱响应测量仪光源衰减补偿方法，其中由该测得电讯号中分离上述个别LED元件贡献并与上述参考值比对的步骤h)，更包括下列次步骤hi) 将该组测试讯号资料中的各测试讯号资料分别对应乘入该测得电讯号，使得该测得电讯号中与该乘入的测试讯号资料正交的成分、及测得电讯号中与该等测试讯号资料无关的杂讯成分被归零分别将对应上述各测试资料讯号的测得电讯号分量与上述对应该标准光源的参考值比对，并依照该测试资料讯号所点亮LED元件的中心波长，界定该光源在该波长范围的发光强度偏差值；及M)个别计算所有上述中心波长，获得该光源在前述所有发光波段的个别发光强度偏差值。综上所述，本发明是运用控制LED驱动电流的开关，来产生特定波长的光，并由待测太阳能电池的响应，及运用正交码特性、消除杂讯功能，获得其光谱响应，且速度远较使用一般单光仪快；及进一步比对参考值获得光源功率衰减量，再以补偿，从而达到所有上述目的。
图1是绘示太阳光光谱分布图。图2是太阳光辐照至地球表面及气团定义示意图。图3是一种采用公知单光仪量测太阳能电池波长响应的结构示意图。图4是本案第一较佳实施例的结构方块图。图5是图4实施例的光源示意图。图6是图4实施例的个别LED元件与对应驱动装置结构示意图。图7是图4实施例的量测方法流程图。
图8本案第二较佳实施例的LED组件示意图。图9是本案光源衰减补偿方法流程图。主要元件符号说明10单光仪11、I5 狭缝12、14 镜面13光栅22,22' LED 元件阵列220、221、222、223、224、225、226、227、228、229LED 元件组220R、220G、220B、221R、221G、221B、222R、222G、222B、223R、223G、223B、224R、224G、224B、225R、225G、225B、226R、226G、226B、227R、227G、227B、228R、228G、228B、229R、229G、229B、220，、221，、222，、223，、224，、225，、226，、227，、228，、229， LED 元件9待测太阳能电池210电流源211 开关元件213驱动回路21 驱动装置201 ARM 控制器200 CDMA 编码器23光学系统M 处理装置
具体实施方式有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。本发明所揭示的太阳能电池光谱响应测量仪结构如图4所示，在此例中所使用的LED光源，请一并参考如图5所示，为一 LED元件阵列22，其具有10组LED元件组220、 221、··· 229，每组LED元件组220、221、. · · 2 各配置3个分别为红、绿、蓝的LED元件220R、 220G、220B、. . . 229B,以便分别计算出待测太阳能电池9对红、绿、蓝光分别的响应；其中， 每一 LED元件如图6所示分别经由一个具有可操控的开关元件211的驱动回路213，作为供能装置的电流源210切换，经由开关元件211的导通与断路，决定其是否被致能发光。
在光源照射下，太阳能电池的光谱响应可利用正交码的特性获得；测试讯号资料以华许矩阵(Walsh Matrix)产生正交码配置给各LED元件，做成光脉冲序列；华许矩阵为一种正交矩阵，其方法为令2k为其矩阵为维度，当k e N为递归方程
权利要求
1.一种太阳能电池光谱响应量测方法，其特征在于，是以一组LED元件阵列作为光源， 供照射到至少一片待测太阳能电池，且该LED元件阵列包括至少一组具有多个LED元件的 LED元件组，前述所有LED元件所发的光分别对应至复数个数目小于或等于前述LED元件总数、且彼此的中心波长相异的发光波段，该方法包括下列步骤a)以一组包括复数彼此正交、且输出功率对应至少一个已知功率的测试讯号资料，分别同步点亮上述LED元件组中的各别LED元件；b)将该待测太阳能电池在该LED元件组受该组测试讯号资料点亮时段的感测值转换为一组测得电讯号输出；及c)以一处理装置由该组测得电讯号中，分离出分别来自该LED元件组的各上述LED元件的分量，并与对应该组测试讯号资料的上述输出功率及/或该对应LED元件所发光能比对，获得该待测太阳能电池在前述各发光波段的波长响应。
2.如权利要求1所述的太阳能电池光谱响应量测方法，其特征在于，其中由该测得电讯号中分离上述个别LED元件贡献并与上述输出功率比对的步骤c)，更包括下列次步骤cl)将该组测试讯号资料中之各测试讯号资料分别对应乘入该测得电讯号，使得该测得电讯号中与该乘入的测试讯号资料正交的成分、及测得电讯号中与该等测试讯号资料无关的杂讯成分被归零；c2)分别将对应上述各测试资料讯号的测得电讯号分量与上述对应输出功率及/或该对应LED元件所发光能比对，获得对应该测试资料讯号的能量转换效率，并依照该测试资料讯号所点亮LED元件的中心波长，界定该待测太阳能电池在该波长范围的光谱响应；及c3)个别计算所有上述中心波长，获得该待测太阳能电池的完整光谱响应。
3.如权利要求1所述的太阳能电池光谱响应量测方法，其中该步骤a是依照CDMA技术获得上述彼此正交测试讯号资料。
4.如权利要求1所述的太阳能电池光谱响应量测方法，其特征在于，更包括在步骤a) 前，先分别度量每一上述LED元件在受上述输出功率致能而点亮时所发光强度的步骤d)。
5.一种太阳能电池光谱响应测量仪，供检测至少一片待测太阳能电池，其特征在于，包括一组LED元件阵列，包括至少一组具有多个LED元件的LED元件组，前述所有LED元件所发的光分别对应至复数个数目小于或等于前述LED元件总数、且彼此的中心波长相异的发光波段；一组用以提供复数彼此正交、且输出功率对应至少一个已知功率的测试讯号资料，供同步分别点亮上述LED元件组中的各别LED元件的驱动装置；及一个接收该待测太阳能电池在该LED元件组受该组测试讯号资料点亮时段的感测值所转换为的测得电讯号；并由该组测得电讯号中，分离出分别来自上述个别LED元件的分量，并与对应该组测试讯号资料的上述输出功率比对，获得该待测太阳能电池在前述各发光波段的波长响应的处理装置。
6.如权利要求5所述的太阳能电池光谱响应测量仪，其特征在于，其中该组驱动装置包括复数供输出彼此正交、且输出功率对应至少一个已知功率的测试讯号资料、而分别致能点亮上述LED元件的驱动回路。
7.如权利要求5或6所述的太阳能电池光谱响应测量仪，其中该驱动装置更包括一个供编码上述彼此正交测试讯号资料的CDMA编码器。
8.如权利要求5或6所述的太阳能电池光谱响应测量仪，其特征在于，其中该组LED元件阵列的光源至少包括三个中心波长分别为红光、绿光、及蓝光的发光波段的LED元件。
9.如权利要求5所述的太阳能电池光谱响应测量仪，其特征在于，其中该处理装置包括一组供将该组测试讯号资料中的各测试讯号资料分别对应乘入该测得电讯号，以分离出分别来自上述个别LED元件的分量；并将上述各分量分别与上述对应输出功率及/或该对应LED元件所发光能比对，获得对应该测试资料讯号的能量转换效率，并依照该测试资料讯号所点亮LED元件的中心波长，界定该待测太阳能电池在该波长范围的光谱响应；及个别计算所有上述中心波长，获得该待测太阳能电池的完整光谱响应的数位讯号处理器。
10.一种太阳能电池测量仪光源衰减补偿方法，其特征在于，是以一组LED元件阵列作为太阳能电池测量仪的光源，供照射到至少一片待测太阳能电池，且该太阳能电池测量仪将量测该至少一片待测太阳能电池所转换的电能；以及该LED元件阵列包括至少一组具有多个LED元件的LED元件组，前述所有LED元件所发的光分别对应至复数个数目小于或等于前述LED元件总数、且彼此的中心波长相异的发光波段；此外，该太阳能电池测量仪并储存有当一个标准光源照射到至少一片已知其光谱响应的太阳能电池时，前述各发光波段的光谱响应参考值，该方法包括下列步骤e)将前述至少一片已知其光谱响应的太阳能电池置放于该至少一片待测太阳能电池的置放位置；f)以一组包括复数彼此正交、且输出功率对应至少一个已知功率的测试讯号资料，分别同步点亮上述LED元件组中的各别LED元件；g)将该待测太阳能电池在该LED元件组受该组测试讯号资料点亮时段的感测值转换为一组测得电讯号输出；h)以一处理装置由该组测得电讯号中，分离出分别来自该LED元件组的各上述LED元件的分量，并与前述分别对应各发光波段的参考值比对，获得该光源在前述各发光波段的强度与前述标准光源间的偏差值。
11.如权利要求10所述的衰减补偿方法，其特征在于，其中由该测得电讯号中分离上述个别LED元件贡献并与上述参考值比对的步骤h)，更包括下列次步骤hi)将该组测试讯号资料中的各测试讯号资料分别对应乘入该测得电讯号，使得该测得电讯号中与该乘入的测试讯号资料正交的成分、及测得电讯号中与该等测试讯号资料无关的杂讯成分被归零；h2)分别将对应上述各测试资料讯号的测得电讯号分量与上述对应该标准光源的参考值比对，并依照该测试资料讯号所点亮LED元件的中心波长，界定该光源在该波长范围的发光强度偏差值；及h3)个别计算所有上述中心波长，获得该光源在前述所有发光波段的个别发光强度偏差值。
12.如权利要求10或11所述的衰减补偿方法，其特征在于，其中该测量仪更包含一组提供该组测试讯号资料，以致能及点亮前述光源的驱动装置，且该方法更包含在该步骤h) 后，依照获得该光源在前述各发光波段的强度与前述标准光源间的偏差值改变该组测试讯号资料的步骤i)。
13.如权利要求10或11所述的衰减补偿方法，其特征在于，其中该测量仪更包括一组提供该组测试讯号资料，以致能及点亮前述光源的驱动装置，且该驱动装置的输出电能具有一个预定上限，其中该方法更包括下列步骤j)依照步骤h)所获得该光源在前述各发光波段的强度与前述标准光源间的偏差值， 判断该组测试资料讯号若依照前述偏差值改变，该组改变后的测试资料讯号中，是否有任一者输出电能超过该预定上限；k)当该改变后的测试资料讯号预计输出电能未有任一者超过该预定上限时，依照获得该光源在前述各发光波段的强度与前述标准光源间的偏差值改变该组测试讯号资料；1)当该改变后的该组测试资料讯号中，具有至少一个的预计输出电能会超过该预定上限时，限制该改变后的该至少一个测试资料讯号输出电能等于该预定上限；以及m)纪录该至少一个输出电能被限制于该预定上限的测试资料讯号，藉此，当以具有该光源的该太阳能电池测量仪后续量测待测太阳能电池时，该处理装置可依照该纪录补偿该分量。
全文摘要
本发明是一种太阳能电池光谱响应量测法、测量仪及其光源衰减补偿法。以一组具有多个发光波段的LED元件组作为光源照射到待测太阳能电池，并用一组包括正交及输出功率的测试讯号资料，分别点亮对应的LED元件，待测太阳能电池在受测试讯号资料点亮时段的感测值转换为一组测得电讯号输出，再以一处理装置由该组测得电讯号中，分离出分别来自该LED元件组的各上述LED元件的分量，并与对应该组测试讯号资料的上述输出功率及/或该对应LED元件所发光能比对，获得该待测太阳能电池各发光波段的波长响应。
文档编号G01R31/26GK102455404SQ201010520789
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者李静粼, 林明杰, 王遵义 申请人:致茂电子(苏州)有限公司