高轉換效率技術抬頭 PV量測標準修訂刻不容緩
2004年德國高補貼政策掀起太陽能(Photovoltaic, PV)風潮，太陽能電池業者終於在半個世紀以上的蟄伏後，首次感受到春天的溫暖。在各國瘋狂投入且歷經蓬勃發展後，在2009～2010年間，又因為供需失衡產生價格與技術的陰晴交替。2011年，德國政府終於因為再生能源安裝比例過高而引發電網穩定性的疑慮，正式宣布停止太陽能的補助，也幾乎宣告太陽能產業再一次的寒冬降臨。
太陽能業者必須正視未來的挑戰，是該改往還有補助的國家移動，還是必須再降低成本，或者開發轉換率更高的技術？然隨著一個國家的補助政策修訂，成本降低也有限，發展轉換率更高的技術似乎變成無補助時代的唯一途徑。
高轉換率太陽能電池為大勢所趨
當太陽能產業隨著產量、競爭及政策的搖擺而籠罩陰霾的同時，居於產量劣勢的廠商，也積極發展更多新形式的太陽能電池；由於轉換效率隨著良率的增加有限，因此更高轉換效率的元素搭配不同的結構，慢慢成為各研發團隊努力的方向。
量子效率的理論與能量守恆定律，定義每種介面形式的光電轉換效率極限，因此目前提高單位整體轉換效率的方式主要為聚光以增加單位光強度而提高效率(圖1)，以及增加太陽光譜感應頻段以增加太陽光利用率，亦有兩者結合希望達到加乘效果的混合模式。理論需要實驗證明，轉換率直接與利潤畫上等號，為避免各說各話，轉換率的驗證成為這些新技術的畢業考，考試的公正性與普遍性，自然成為買賣雙方爭議的焦點。
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| 圖1 聚光以提高光強度的示意圖 |
把關品質 效率驗證至為關鍵
太陽能電池最直接的驗證方法，即是把樣品放到太陽下照射後量測數據。但太陽本身並非標準，隨著地球與太陽的距離改變、太陽本身的黑子活動等因素，均使得太陽無法成為一個理想的穩定光源。此外，地球本身的陰晴、空氣成分還有照射角度等，更會惡化太陽光的一致性，使得以戶外太陽光作為考題成為一個便宜卻完全不切實際的方案。
模擬太陽便成為唯一的有效方案，國際電工委員會(IEC)提出的IEC 60904-9與ASTM的G159均制定所謂的標準光譜，以利於模擬光源的品質定義，IEC 60904系列更成為模擬器製造業者奉為圭臬的標準。
針對未聚光的大面積太陽能電池(長寬在1公尺以上)，為模擬均勻的太陽光，點狀光源的模擬器大多要藉由拉長距離的多角度疊加系統以達到均勻性，然而上述兩類新太陽能技術，在錙銖必較的新太陽能戰場，並不適合直接以目前的平板電池太陽光模擬器進行測定，主因如下：
高聚光系統測試挑戰重重
聚光倍率的提高，能夠提高輸入而達到提高輸出的立竿見影效果，因此聚光倍率的提升也成為聚光型業者的努力目標。從通用的低聚光為五至十倍到高聚光二百至四百倍，德國業者傾向採用低聚光倍率，而美國業者傾向於高聚光倍率。然而高聚光倍率所帶來的問題可不只是光學系統的問題，即使光學系統變得完美，高聚光帶來的高照射能量也會造成危險，若因追日系統不夠精準，偏移的光束能量幾乎可將電池周圍的電路或絕緣材料燒毀，因此追日系統的精度往往要達到±0.1度的範圍。
即使追日系統精度能達到要求，高聚光系統還要面臨更嚴苛的考驗。若聚焦倍率高於三百倍以上時，對焦正確無誤情況下，無法轉換的光熱能在長期的累積下，也可能直接將電池本體燒毀。
另一方面，高聚光的魔咒也籠罩電池研發與測試團隊。由於目前並不存在於200～400光強度的直接光源可測試太陽能電池片，因此目前的轉換效率的標定並無法直接進行，也必須透由聚光而達到提高受測區單位光強度的要求。然而聚光模組一般所接受到的陽光特性並不只是光強度的差別，還必須考量到光的直射特性。聚光模組的透鏡所接受到的操作環境基本上是直射平行光，模擬光源多為點光源，因此在未達平行直射的情況就照射到聚光模組上，是不會產生與戶外曝曬相同的測量結果。同時，聚光型的電池因降低製造成本與提高聚光倍率的考量，電池晶片將會做得更小，折射後如何能確定在不同大小的小面積上仍然能夠保有一致性，且要在組裝前進行測量，在組裝業者的透鏡並不一定存在的情況下，模擬器可能還必須模擬透鏡折射後的光特性，因此顯得困難重重。
另外，過去高聚光電池業者往往以瞬態(2毫秒的閃光速率)太陽光模擬器做為功率標定的設備，雖然可快速的產生I-V曲線，但卻忽略光徑折射的時差效應，即使能夠將瞬態時間延長至10毫秒，也無法產生足夠的累積熱能而觀察到電池片的熱效應問題，因此產生高聚光系統雖具有高效率卻無法使用的悲劇，因此除了瞬態模擬器以外，穩態模擬器更是高聚光太陽光電池業者的必需品。
多接面電池測試須面面俱到
多接面電池測試須面面俱到
由於元素的特性，目前並不存在單一接面(Junction)對太陽光達到全頻譜響應的產品，因此目前增加感應頻段就必須利用多接面的方式進行。利用不同接面的不同響應特性，達到分享全頻譜光能的目標。然而光在通過每個接面時都會產生耗損，到達越下層接面的能量越低，在面臨光電效應的截止電流要求下，也必須注意達到目標接面的光束是否還具備能夠啟動光電流的強度。另外，由於多接面的光電流為各個接面的總和，不同接面的品質都會影響到整體的效率，為了確保不同階段與不同接面的品質分析，針對多接面太陽能電池還必須額外能夠控制透射的頻譜與穿透的深度，才能確認受測區的有效位置與有效響應。
摘錄IEC 60904-9如表1對於模擬器光譜與標準光譜差異的分級要求，即使是最高等級的A級也還存在有25%的輻照度差異，在多接面系統的多分段光譜響應情況下，25%的差異存在於哪一波段區將明顯影響到功率標定的結果。因此，光源光譜符合性的再提高，將會是多接面太陽光模擬器另一項重要的挑戰。
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新標準制定馬不停蹄
針對日益蓬勃、進步卻獲利率每況愈下的太陽光電池技術，高價的聚光與多接面的技術遲早將走出實驗室而進入量產且降價的行列。國際標準組織意識到量測方法標準化的必要，才能促使新產業的健全發展，在現有的IEC TC-82工作小組架構下，另外開展對於高轉換效率電池的標定標準制定工作，啟動聚光型太陽光電池的模擬器的規格標準化工作。目前IEC TC-82關於高轉換效率的工作與目標如表2。
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預期在這些標準制定完成之後，能對聚光模組的轉換效率與功能、安全等，均有充分而一致的定義。
弭平理論/實際鴻溝 新型功率標定標準應運而生
由於太陽能併網與發電量和功率息息相關，提高功率與增加發電量是各個模組廠商的努力目標。原本在IEC 61215與IEC 61646內所訂定的標準測試條件(STC)是在輻照度1,000W/m2與環境溫度為攝氏25度的條件下進行功率的測定，然而在補助逐漸下降的壓力下，由於符合如此條件的氣候事實上並不常見，尤其是日照不足的情況明顯，各國官方傾向認為這樣的測試條件所標定出的功率有過高的嫌疑，因此著手修改補貼辦法中所定義的功率標定方法。
加州能源委員會(CEC)是其中修改補貼辦法的官方單位之一，有別於IEC的STC，CEC訂定PTC(PVUSA Testing Condition)與PTC/AC(Alternate Current)作為補貼的參考功率標準。PTC的條件為1,000W/m2輻照度、20℃環境溫度、每秒1公尺風速，PTC/AC更將直流對交流(DC-AC)逆變器(Inverter)的耗損納入考慮，而以DC-AC轉換後的功率當成最終補貼功率的參考依據。CEC同時宣稱，在PTC的條件下所標定的功率往往低於STC的標定功率，甚至有低於10%功率的數據作為其政策更改的依據。
無獨有偶地，除了功率標定條件受人爭議外，各地環境造成的累積發電量亦成為檢討的項目。由於天氣的不穩定，無論是PTC或者STC甚至是PTC/AC，都是過於理想的條件，也是屬於事先墊付的概念，為減少財政支出的浪費，國際上逐漸出現以瓦時(發電量)取代原本的瓦(發電功率)作為補貼依據的概念，除可將事先墊付改為事後支付，也可減少氣候不良造成的過度補貼，或是不良營運商倒閉而造成的公帑浪費風險，也能夠減少因為過度安裝而造成無法併網的電力問題。
在對現有效率標定標準的檢討風潮下，IEC繼續著手修訂關於功率標定的概念。IEC除了增列其他的功率標定條件，也制定量測發電能的標定方法。IEC在2011年1月公告太陽光模組的能源效率與功能特性測試的新標準：IEC 61853的第一部，輻照度、溫度特性與功率標定(Photovoltaic module performance testing and energy rating–Part 1: Irradiance and temperature performance measurements and power rating)。該標準主要是定義在不同輻照度與溫度下，對太陽光電模組的功率標定方法，同時定義所謂的各種不同輻照度與溫度的標準標定條件。另外，IEC 61853未來還有第二部、第三部與第四部，分別探討不同變數下的標準標定條件與程序。IEC 61853-2主要是針對入射角的影響，以及不同輻照度、環境溫度與風速條件下的模組溫度估算，還有光譜響應對發電功率的影響。IEC 61853-3則是定義對模組產生能量(瓦時)的推算與標定。IEC 61853-4則是定義用於標準能量標示的測量時段與氣候條件。IEC 61853各標準現狀與預定公告時間如表3。
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類似於CEC，在IEC 61853-1中也增加其他標準測試條件的定義，如表4。
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量測標準與時俱進
隨著太陽光電池的技術進展，效率量測的技術能力也必須隨著提升，從直射光到聚光，從單接面到多接面，除造成現有的量測標準必須修訂以外，也挑戰現有量測設備的極限。
在不久的未來，甚至已有業者號稱要量產推出可撓式的太陽光電模組應用於更多樣化的建築用途，其勢必將掀起另外一波的量測標準、設備與安全標準更新修訂的浪潮。唯有不斷更新量測設備與標準，並兼顧一致性與再現性，以及產品的安全性，才能夠確保太陽光電的永續健全發展。
