国际初级光伏参考电池校准比对取得极佳一致性

《Solar RRL》：International Intercomparison of Primary Photovoltaic Reference Cell Calibrations With Excellent Agreement

　　

本研究展示了根据IEC 60904-4对光伏（PV）参考设备进行初级校准方法的国际比对结果。该比对涉及三个领先的校准实验室——PTB、NLR和AIST——它们代表了独立溯源至国际单位制（SI）的链条。四个具有不同特性（线性、非线性、红外滤波和紫外滤波晶体硅器件）的世界光伏标度（WPVS）PV参考电池被循环传输，并使用不同的初级方法进行校准，包括微分光谱响应（DSR）、直射阳光和太阳模拟器方法。被测量是标准测试条件（STC）下的短路电流I_SC（I_STC）。校准结果通过加权平均值和E_n评分进行评估以检验一致性。尽管测量原理和器件特有挑战不同，所有报告的校准值均在其声明的不确定度范围内一致（|E_n|<1）。最大偏差范围从0.27%到0.59%，取决于器件类型。观察到的两个器件的漂移归因于退化效应而非方法学不一致。结果证明了独立初级校准方法之间的高度一致性，并确认了当前光伏参考设备溯源链的稳健性。

近年来，光伏（PV）技术的规模化应用对全球范围内电气参数的可比性提出了严格要求，尤其是效率与标称功率的准确评定。为确保光伏组件测量结果能够溯源至国际单位制（SI），国际电工委员会制定了IEC 60904-4标准，规定了三种初级校准方法：直射阳光法（DSM，利用绝对腔体辐射计测量辐照度）、微分光谱响应法（DSR，通过低温陷阱探测器建立光谱辐照度溯源）以及太阳模拟器法（SSM，基于黑体辐射源标定绝对光谱辐射计）。不同方法原理迥异，各具固有误差来源，必须识别误差源、施加修正并量化剩余不确定度，才能保证校准值（CV）的一致性。然而，以往国际比对大多使用二级校准程序，且参与者常溯源至同一实验室，导致结果部分相关，无法真正检验独立方法间的系统性偏差。为此，德国联邦物理技术研究院（PTB）、荷兰国家航空航天实验室（NLR）和日本产业技术综合研究所（AIST）三个提供世界最低不确定度初级校准服务的实验室，开展了基于完全独立溯源链的比对研究。研究选用四个具有不同特性的世界光伏标度（WPVS）参考电池，包括线性晶体硅（c-Si）器件、非线性c-Si器件、红外（IR）滤波c-Si器件和紫外（UV）滤波c-Si器件，其中滤波器件模拟了新一代钙钛矿/硅叠层电池子电池的光谱响应，增加了校准难度。比对于2022年开始，PTB在比对初期、中期和末期进行稳定性监测，NLR于夏季进行户外校准，AIST在冬季完成测量。校准值采用加权平均值和E_n评分评估一致性，以验证不同初级校准方法间的等效性。该研究成果发表于《Solar RRL》。

研究人员采用三种独立溯源的方法。PTB基于DSR设施，利用氙灯/卤灯双单色仪产生单色辐射，配合白光偏置光测量不同辐照度下的绝对光谱响应，并测量20、25、30°C下的光谱温度系数，最终由IEC 60904-3规定的AM1.5G光谱积分得到I_STC；NLR采用户外直射阳光法，使用溯源至世界辐射基准（WRR）的绝对腔体辐射计记录总辐照度，同时用光谱辐射计测量太阳光谱，并施加光谱失配修正；AIST使用高准直太阳模拟器，配备WRR溯源绝对辐射计和可快速扫描250–2500 nm波段的绝对光谱辐射计，标准灯经3100 K高温黑体固定点炉直接校准，并修正光源与参考光谱间的失配及多次反射效应。四个参考电池以PTB为试点实验室进行循环传递，PTB给出了五个稳定性监测点。

### 5.1 c-Si（线性）

线性参考电池的校准值最大偏差为0.39%。PTB稳定性检查显示，在2023年4月至8月期间，该校准值下降了0.21%，研究人员认为这源于器件在夏季户外测量活动中受到自然阳光照射导致的退化。然而，所有报告的|E_n|评分均小于1，表明各校准值在声明的测量不确定度内相互一致。

### 5.2 c-Si（非线性）

非线性参考电池的校准值最大偏差为0.49%。PTB稳定性检查观察到校准值在整个比对期间连续下降了0.43%。该趋势在PTB 2015至2026年的年度校准中持续存在，且与辐照暴露时间无关，被认为是器件固有的长期漂移特性。所有|E_n|评分均小于1，各校准值一致。与线性器件相比，PTB和AIST之间存在稍大但非关键的系统性偏移，暗示线性度相关的不确定度。

### 5.3 c-Si（红外滤波）

红外滤波参考电池的校准值最大偏差仅为0.27%，且未观察到显著退化趋势。所有|E_n|评分远小于1，结果高度一致。这一结果表明，各参与实验室在紫外—可见波段的波长校准、带宽修正和光谱失配修正方面流程准确，有效避免了相关系统性误差。

### 5.4 c-Si（紫外滤波）

紫外滤波参考电池的校准值最大偏差为0.59%，无显著退化。所有|E_n|评分小于1，校准值一致。但PTB与NLR之间存在较小系统性偏移。近红外长通（LP）滤波参考电池因滤光片截止波长随温度变化，可能出现光照时长相关的I_SC变化；根据制造商提供的信息，该器件采用OG590 LP玻璃滤光片，相关影响估计小于0.1%，远低于RG715（约0.3%）或RG850（约0.9%）器件。因此，观测到的偏移主要归因于可见与红外波段的波长/带宽效应以及光谱失配修正等系统性不确定度。

讨论与结论部分指出，设备特定效应在观测偏差中起重要作用：线性器件出现轻微光诱导退化，非线性器件存在与测量条件无关的长期漂移，滤波器件虽稳定但凸显了精确光谱和带宽修正的关键性。实验室间的微小系统性偏移反映了方法特有的不确定度，尤其是非线性和光谱失配效应，但这些偏差完全在可接受范围内，不影响整体可比性。最重要的是，当三种初级校准方法以全球最高质量和最低不确定度水平执行时，彼此间不存在显著系统性偏移。因此，结果证实这些初级校准技术为全球光伏计量提供了坚实基础，光伏组件的溯源链被认为是稳健的，且不依赖于IEC 60904-4规定的具体实现途径。持续开展国际比对对于进一步降低不确定度、保障下一代光伏技术的可靠校准至关重要。