使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器測(cè)量太陽(yáng)能電池的功率輸出

?????? 序言

　　當(dāng)前，全球正面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境問題，而且能源日漸緊缺。太陽(yáng)能因?yàn)榫哂星鍧嵑涂稍偕奶攸c(diǎn)，所以成為首選的替代能源，推動(dòng)相關(guān)的太陽(yáng)能電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展。這一切變化加大了太陽(yáng)能行業(yè)對(duì)太陽(yáng)能電池（以及太陽(yáng)能電池模塊）測(cè)試與測(cè)量解決方案的需求。

　　典型測(cè)量?

　　太陽(yáng)能電池測(cè)量通常包括以下關(guān)鍵參數(shù)。

　　開路電壓（Voc）――電流為零時(shí)的電池電壓。

　　短路電流（Isc）――負(fù)載電阻為零時(shí)的電池電流。

　　電池的最大功率輸出（Pmax）――電池產(chǎn)生最大功率時(shí)的電壓和電流點(diǎn)。I-V 曲線上的 Pmax 點(diǎn)通常指最大功率點(diǎn)（MPP）。

　　Pmax 電壓（Vmax）――Pmax 時(shí)的電池電壓。

　　Pmax 電流（Imax）――Pmax 時(shí)的電池電流。

　　器件的轉(zhuǎn)換效率（η）――在太陽(yáng)能電池連接至電路時(shí)，轉(zhuǎn)換（從光能轉(zhuǎn)換為電能）和收集的功率百分比。η 的計(jì)算方法為：最大功率點(diǎn) Pmax 除以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的輸入光輻照度（E，單位：W/m2）和太陽(yáng)能電池表面積（Ac，單位：平方米）。

　　·????占空因數(shù)（FF）――最大功率點(diǎn) Pmax 除以開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）

　　·????電池二極管性能

　　·????電池串聯(lián)電阻

　　·????電池并聯(lián)電阻

　　圖 1：太陽(yáng)能電池的電流電壓曲線圖

????? 圖中文字中英對(duì)照：

常用解決方案

　　目前，太陽(yáng)能電池測(cè)試解決方案分為兩大類：成套系統(tǒng)和通用測(cè)試儀器。成套系統(tǒng)適用于驗(yàn)證和制造測(cè)試階段。這些系統(tǒng)可以確保測(cè)試的可重復(fù)性，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過編程，可對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行一系列電池測(cè)試。

　　研究人員通常會(huì)使用半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中的通用測(cè)試儀器。他們使用半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀測(cè)量二極管器件特性，使用 LCR 測(cè)量計(jì)（電感電容電阻測(cè)量計(jì)）測(cè)量材料/器件的電感、電容和電阻。

　　在測(cè)試整個(gè)太陽(yáng)能電池輸出功率時(shí)，許多研究實(shí)驗(yàn)室會(huì)使用低功率 4 象限電源（有時(shí)簡(jiǎn)稱 SMU），該電源可以：

　　精確地供應(yīng)正和負(fù)電壓（供應(yīng)也稱施加）；

　　精確地供應(yīng)正和負(fù)電流（供應(yīng)負(fù)電流是將電流吸入電源的過程）；

　　精確測(cè)量被測(cè)件的電壓和電流（測(cè)量也稱感知）。

　　4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠?yàn)楸粶y(cè)件提供的最大電流和功率較小。大部分精密型 4 象限電源只能供應(yīng) 3 A 或 20 W 的連續(xù)電力。這種最大電流和功率適合小型獨(dú)立電池測(cè)試，但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)，電池功率輸出可能很快超過 4 象限電源的最大額定值。太陽(yáng)能電池模塊通常能夠提供超過 50 W 甚至可以達(dá)到 300W 或以上的輸出，這意味著對(duì)其進(jìn)行測(cè)試將無法繼續(xù)使用 4 象限電源。

　　為此，工程師必須使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載、直流電源、數(shù)字萬用表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（包括溫度測(cè)量、掃描、開關(guān)和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等）構(gòu)成靈活的測(cè)試系統(tǒng)，才能在廣泛的工作范圍內(nèi)對(duì)這些太陽(yáng)能電池模塊進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)保證測(cè)量精度。例如，您可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掃描環(huán)境溫度、被測(cè)件溫度、校準(zhǔn)參考電池的電壓以及其他需要在測(cè)試中捕獲的測(cè)試參數(shù)。

　　戶外測(cè)試

　　部分工程師可能會(huì)使用配備了太陽(yáng)仿真器的成套太陽(yáng)能電池測(cè)試系統(tǒng)展開測(cè)試。太陽(yáng)仿真器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源，可以控制照射太陽(yáng)能電池的光能。但是當(dāng)太陽(yáng)能電池或模塊過大時(shí)，太陽(yáng)仿真器無法產(chǎn)生足夠的光能。例如，被測(cè)的太陽(yáng)能電池模塊可能是大型戶外太陽(yáng)能收集系統(tǒng)的一部分。此時(shí)，測(cè)試只能以太陽(yáng)作為真實(shí)的物理光源。由于在戶外使用成套測(cè)試系統(tǒng)（無太陽(yáng)仿真器）進(jìn)行測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，工程師不得不放棄這種測(cè)試方法，而采用由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器構(gòu)成的其他測(cè)試解決方案。

　　戶外測(cè)試還需考慮溫度因素。電池性能會(huì)受到溫度的影響，因此在測(cè)試時(shí)，有必要使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。不僅電池性能會(huì)受到溫度的影響，測(cè)試設(shè)備同樣會(huì)受到溫度的影響。許多儀器廠商未指明測(cè)試設(shè)備在非室溫條件（25 ± 5 °C）下的技術(shù)指標(biāo)，而優(yōu)質(zhì)測(cè)試設(shè)備廠商會(huì)提供溫度系數(shù)技術(shù)指標(biāo)，以幫助調(diào)整測(cè)試儀器的精度指標(biāo)，從而修正在非指定溫度范圍下的操作。因此，為了在不可能控制溫度的戶外環(huán)境中正確使用測(cè)試儀器，您需要了解實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)溫度系數(shù)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以確保測(cè)試儀器的精度。