太陽能電池輸出功率測試系統(tǒng)

　　太陽能產(chǎn)業(yè)的成長增加了對太陽能電池(及太陽能模組)測試和測量解決方案的需求，而且隨著太陽能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測試需要運(yùn)用更大的電流和更高的功率水平，這就要求采用更加靈活的測試設(shè)備。

　　通常需要測量太陽能電池的幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)是：

　　● VOC——開路電壓。在電流等于0時(shí)的電池電壓。

　　● ISC——短路電流。當(dāng)負(fù)載電阻等于0時(shí)，從電池流出的電流。

　　● Pmax——電池的最大功率輸出。電池輸出最大功率時(shí)的電壓值和電流值。I-V曲線(圖1)上的Pmax點(diǎn)通常被稱為最大功率點(diǎn)(MPP)。

　　圖1 這張?zhí)柲茈姵氐腎-V曲線顯示了Pmax及其與Imax和Vmax的關(guān)系

　　● Vmax——在Pmax點(diǎn)，電池的電壓值。

　　● Imax——在Pmax點(diǎn)，電池的電流值。

　　● η——器件的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)太陽能電池連接到某個(gè)電路時(shí)，這個(gè)值等于被轉(zhuǎn)換的能量(從吸收的太陽光到電能)與被采集的能量的百分比。這個(gè)值可以通過將Pmax除以輸入的光輻照度(E，單位是W/m2，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下進(jìn)行測量)，再乘以太陽能電池的表面積(AC, 單位是平方米)計(jì)算得到。

　　● 填充因子(FF)—Pmax除以VOC再乘上ISC 。

　　● 電池二極管屬性。

　　● 電池串聯(lián)電阻。

　　● 電池旁路電阻(或并聯(lián)電阻)。

　　常見解決方案

　　現(xiàn)在，太陽能電池測試解決方案主要有兩種形式：完整的交鑰匙系統(tǒng)和通用的測試儀器。

　　如果需要在太陽能電池最大輸出功率時(shí)進(jìn)行測試，許多研究實(shí)驗(yàn)室都具備低功耗四象限電源(有時(shí)也稱為SMU)，并具有以下功能：

　　● 提供精確的正電壓和負(fù)電壓(“提供”也可稱為“施加”)。

　　● 提供精確的正向和反向電流(提供反向電流也被稱為電流流入到電源中)。

　　● 精確地測量待測器件(DUT)的電壓和電流(測量也被稱為檢測)。

　　大多數(shù)高精度四象限電源都只能提供3A的電流或20W的連續(xù)功率。

　　在測試較小的單個(gè)電池時(shí)，這些最大電流和功率是可接受的，但是隨著電池技術(shù)向更高的效率、更大的電流密度和更大的電池尺寸推進(jìn)，電池的功率輸出將很快會超出這些四象限電源的最大額定值。太陽能模組的輸出通常會超過50W，而且可能會爬升至300W或更高，這意味著許多針對模組的測試都無法使用四象限電源來完成。

　　在這些情況下，工程師應(yīng)當(dāng)借助于現(xiàn)成的電子負(fù)載、直流電源、DMM和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括溫度測量、掃描、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，以便在寬泛的操作范圍內(nèi)靈活地進(jìn)行獨(dú)特的測試，并且達(dá)到預(yù)期的測試精度。例如，可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來掃描環(huán)境和待測器件的溫度，已校準(zhǔn)的參考電池的電壓，以及在測試中需要捕獲的各種其他測試參數(shù)。

　　戶外測試

　　有些工程師會使用交鑰匙的太陽能電池測試設(shè)備來進(jìn)行測試，這種設(shè)備采用一種太陽能模擬器，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化的光源，可用于控制進(jìn)入太陽能電池的光能。不過，如果太陽能電池或模組非常大，太陽能模擬器將無法產(chǎn)生充足的光。

　　例如，被測的太陽能模組可能是大型戶外太陽能采集系統(tǒng)的一部分。在這種情況下，太陽本身將是測試中唯一實(shí)際可用的光源。既然在戶外實(shí)際上不可能運(yùn)輸一套無太陽能模擬器的完整的交鑰匙測試系統(tǒng)，所以這種測試就需要使用由標(biāo)準(zhǔn)測試儀器改進(jìn)而成的某些其他測試解決方案來執(zhí)行。

　　戶外測試需要考慮的另一項(xiàng)因素是溫度。因?yàn)殡姵氐男阅軙艿綔囟鹊挠绊?，因此需要在測試中監(jiān)視溫度。不僅電池性能依賴于溫度，而且測試設(shè)備的性能也依賴于溫度。

　　許多儀器供應(yīng)商沒有指明他們的測試設(shè)備在溫度處于室溫附近極窄范圍(如25℃±5℃)之外時(shí)的性能。其他供應(yīng)商則提供了一項(xiàng)溫度系數(shù)規(guī)格，能夠調(diào)整測試設(shè)備的精度規(guī)范，以針對工作在其指定工作溫度范圍之外進(jìn)行校正。

　　適用于更高功率測試的負(fù)載

　　對于大功率應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)的電子負(fù)載可用于測試太陽能電池。許多工程師不會想到使用電子負(fù)載來測試太陽能電池，因?yàn)樗麄兞?xí)慣于使用交鑰匙系統(tǒng)或四象限電源。

　　考慮到太陽能電池會產(chǎn)生能量，當(dāng)使用四象限電源對它進(jìn)行測試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式是：太陽能電池在電源的端子上施加一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽能電池流入四象限電源的端子，這意味著四象限電源看到的是反向電流(就其端子而言)。在這些條件下，也可以稱四象限電源是“電源沉”。

　　從電學(xué)上講，兩端加有正電壓并有電流流入(也就是反向電流)的儀器被稱為電子負(fù)載。因此，對于大多數(shù)有光照射并且太陽能電池也產(chǎn)生能量的太陽能電池測試而言，四象限電源實(shí)際上發(fā)揮著電子負(fù)載的作用。

　　使用電子負(fù)載的優(yōu)勢在于這種負(fù)載可用在各種電流和功率水平。使用額定50W或高達(dá)數(shù)千瓦特和數(shù)百安培的電子負(fù)載，可以輕松克服四象限電源帶來的3A，20W的限制。

　　電子負(fù)載可在恒壓模式下工作，也稱為CV模式。在CV模式下，負(fù)載可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流，從而調(diào)整它兩端的電壓，以保持恒定的電壓值。因此，CV模式可用于創(chuàng)建電壓掃描，使用負(fù)載來控制太陽能電池輸出端的電壓，然后測量產(chǎn)生的電流(如圖2所示)。

　　圖2 可以使用電子負(fù)載的CV模式來測量太陽能電池的I-V曲線

　　有些負(fù)載(如Agilent N3300系列)可以快速地執(zhí)行一系列CV定位點(diǎn)，以便在CV模式下掃描輸出電壓，從而快速地描繪出I-V曲線。同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽能電池流出到負(fù)載內(nèi)的電流波形數(shù)字化，類似于捕獲示波器曲線。

　　通過畫出由掃描控制的CV電壓對數(shù)字化實(shí)際電流的圖形，就可以創(chuàng)建出I-V曲線。而且因?yàn)檫@是通過快速掃描得到的，所以整個(gè)測試可以在大約1秒內(nèi)完成，這時(shí)電池還不會因?yàn)閺?qiáng)烈的光源而發(fā)熱并發(fā)生溫度變化。

　　但是，許多電子負(fù)載都具有低電壓工作極限，需要在負(fù)載的正負(fù)輸入端之間施加最小的工作電壓。常見電子負(fù)載的最小輸入電壓是2～3V。為了克服這個(gè)限制，可以為負(fù)載串聯(lián)一個(gè)直流電源(如圖3所示)。這個(gè)直流電源被稱為偏置電源，因?yàn)樗鼮樨?fù)載提供了一個(gè)偏置電壓。

　　圖3 可以使用直流偏置電源來配置電子負(fù)載，以便用于太陽能電池測試

　　通常，偏置電源被設(shè)置為3V，以保證始終滿足負(fù)載的最低電壓需求。直流源的電壓對太陽能電池沒有任何影響，后者是電壓浮動(dòng)器件;直流源僅僅是將太陽能電池的電壓提高了3V。更多信息，請參考安捷倫科技公司提供的應(yīng)用指南《太陽能電池及模組測試》(Solar Cell and Module Testing)，出版號5990-3262EN。