太陽能電池光電轉換效率測試難度高

太陽能電池技術發展多元，使用多接面技術擴展電池模組對應的日照光譜能量轉換效率，已是太陽能電池材料技術的重要發展方向，但電池模組在驗證與測試難度相當高。SCHOTT Solar AG

太陽能發電之所以能夠達到環保、再生，關鍵就在於轉換日照取得之電能，但若轉換效率偏低，使用太陽能作為替代能源反而會衍生更多成本，這也是為什麼發展太陽能替代能源相關業者對於能源轉換率會錙銖必較的原因。而檢驗與量測客觀、真實的能源轉換率表現，也成為太陽能發電周邊產業發展的關鍵技術…

為了減少石化燃料的依賴度，各國政府相繼在2004年前後推出各式太陽能政策補貼方案，其中以歐洲、德國的高補貼政策將太陽能(Photovoltaic；PV)產業發展熱潮整個炒熱起來，吸引相關業者競相投入開發太陽能發電產品；但即便有政策補貼優勢，在各國積極投入太陽能光電應用市場後，在2009~2010年太陽能周邊產業又因全球性的產品供需失衡、加上太陽能電池技術的世代交替，市場產生削價競爭的惡質發展，使太陽能周邊產業的經營環境越來越嚴苛。

能源補助措施轉向  太陽能周邊廠商需自尋生路

尤其是2011年期間，原先最早大動作投入政策補貼推進太陽能發電產業的德國政府，終於因為太陽能再生能源的補貼方案支出增加、相關設施的安裝比例過高而引起電力網穩定性的相關疑慮，將原本大力補貼的太陽能能源政策轉向停止太陽能補貼方向，太陽能相關業者須檢視自身產品體質，再自降低整體產製成本、研發轉換率更高的應用技術，才能在未來無政策補助時代獲得更具健全的發展基礎。

在更重視成本、能源轉換效率的太陽能周邊設備，已經成為太陽能發電應用的關鍵考量重點後，各國補貼政策相繼縮小補貼範圍、甚至取消部分大額的補貼方案，使得各業者在導入太陽能發電設施前，反而更能自務實應用角度進行考量，像是要求更高的轉換效率、或對產品導入效益進行評估等，連帶使得太陽能電池與設備的使用效率量測、評估方法需求逐步提升。

提高能源轉換效率  改善發電系統成本架構

提高能源轉換率說來容易，但做起來卻相當困難。主因是在量子效率與能量守恆定律前提之下，提高光電轉換效率仍有其極限，必須先從定義不同介面形式之光電轉換效率極限，再從不同的設計或輔助方案進行能效提升。

以目前太陽能發電較顯著的能源轉換效率提高方法，主要為太陽能電池板搭配聚光輔助措施，用以增加太陽能電池板單位面積上之日照陽光強度，進而提升光電轉換能源效率，同時搭配增加太陽能電池板對於不同區段的太陽光光譜感應頻段，從外在條件與內部材料多元的能效改善，提升整體發電系統的光電轉換效率表現。

即便太陽能業者投入研發資源改善設備能源轉換效率表現，但實際上這些改善措施與理論仍需要儀器檢驗實證，基本上能源轉換率與使用效益、利潤直接畫上等號是無庸置疑的，也是目前導入相關綠能源發電設備業者最關注的焦點，為了避免太陽能光電業者或解決方案自說自話，在太陽能發電設備的光電轉換率評估與驗證方法，在公正性與準確度也必須達到一定要求，避免產品有灰色空間產生更多衍生爭議。

自然日照不宜作為太陽能電池驗證標準

一般來說，太陽能電池模組、電池板，最直接的光電轉換能效驗證方式，就是把產品擺在戶外日照條件下進行電池輸出的I-V輸出持續性量測，但實際上太陽日照光線並不是一個穩定的參考基準，雖然太陽日照環境是設備未來轉換能量的來源，但若用於進行產品檢測，在不同的環境、日照條件、有無輔助光學設備強化單位日照、時間、氣候等，連量測的時間長短與記錄換算方式，都會左右太陽能電池模組的實際輸出表現。

尤其是太陽日照本身的日照條件變化極大，像是地球與太陽的距離變動、太陽表面的黑子活動等變化因素，導致太陽日照本身就難以做為一個標準光源基礎，另在環境影響之空氣狀態、空氣浮游粒子狀態、日照照射角度等，都會影響到日照的表現一致性，即便多款太陽能電池模組在同一個場地進行日照實測，都難保不會有差距極大的產品驗證差距。

使用模擬光源進行產品驗證

務實且較令消費者與相關業者信服的量測基準，反而是透過較易建構標準光源提供穩定可量測環境的模擬太陽日照光源進行實測，是比較完整、有效的測量方案。以國際電工委員會(International Electrotechnical Commission；IEC)所提出的IEC 60904-9、ASTM G159制定所謂的標準光譜測試條件，即為利於模擬太陽日照光源的品質來進行定義，IEC 60904系列相關標準，已成為相關驗證用模擬器產品的參考標準。

在實務的測試環境下，若針對未具備聚光輔助措施或無透鏡強化的太陽能電池，使用模擬日照光線進行產品性能量測問題並不會太多，光源模擬器可以採拉長照射距離或是增加多盞模擬重疊光源的形式，改善模擬日照的光源照射均勻特性。反而在較先進的高聚光太陽能電池模組的測試需求方面，由於日照已透過透鏡、聚光措施提升了日照施於太陽能電池模組的強度，若延續原有針對一般太陽能平板電池模組的模擬日照進行驗證，反而會使得先進的高聚光太陽能電池產品的光電轉換效率表現趨於弱勢，進行產品驗證測試時也需要進行一定程度的調整。

高聚光型太陽能電池產品  驗證難度、複雜度增加

然而，不同的聚光技術也會導致系統光電轉換能效的評測難度。例如，美國業者大多朝高聚光倍率的太陽能發電系統進行研發，即可將日照強度提升百倍以上水準；而德國或歐洲業者則較傾向開發低聚光倍率的聚光技術，為可提供日照約5~10倍光照強度。不同的光照強化聚光技術，也會導致不同的設計難題，除了光學或透鏡系統的支援問題外，即便太陽能聚光設計在光學整合技術超強，但對高聚光設計方案來說，聚集的百倍光照能量等於也帶來高度的熱源，如果搭配的追日系統運作精密度不佳，聚集的高聚光日照也會因追日誤差使得集聚日照反而影響了太陽能電池模組周邊線路、配線盒的安全性。

另對高聚光太陽能發電系統來說，在進行太陽能電池模組實測也相當困難，因為要產生超過百倍的日照光強度的持續性模擬光源，並建構實驗測試環境條件並不容易，不只是光的強度差異，模擬日照還需要達到接近日光特性的光源表現，才能有效測試出透鏡系統的使用特性，尤其是高聚光系統在實際運行環境為面對直射平行的日照光線，在透鏡系統才能產生有效的聚光效果，但若在實驗室環境，模擬日照會是使用多盞光源提供模擬，而光源來源並非平行射入聚光系統，也會因為測試條件限制而影響了高聚光型太陽能發電系統的產品驗證表現。

而新一代太陽能電池為了提升不同日照光譜的轉換效率，也會嘗試使用多接面的太陽能電池來達到擴展太陽光接受光譜的設計目標，運用不同接面之響應特性差異，可以進一步接近達到全頻譜光能轉換的設計目標。實際上日照或模擬光源在通過太陽能電池的每個接面，都會或多或少產生部分損耗，反而是越下層的日照能量越低，轉換效率也會偏低；此外，也需關注日照到達對應接面時的光束能否達到產生電流的強度，針對不同接面的太陽光電轉換品質分析，不僅在測試方法與實作條件上，難度都相當高。