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。太陽能因?yàn)榫哂星鍧嵑?a href="http://ihrv.cn/article/index.aspx?id=23964 ">可再生的特點(diǎn)，所以成為首選的替代能源，推動(dòng)相關(guān)的太陽能電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展。這一切變化加大了太陽能行業(yè)對(duì)太陽能電池（以及太陽能電池模塊）測試與測量解決方案的需求。
典型測量
太陽能電池測量通常包括以下關(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)測試條件（STC）下的輸入光輻照度（E，單位：W/m²）和太陽能電池表面積（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：太陽能電池的電流電壓曲線圖
圖中文字中英對(duì)照：
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Amps Isc Pmax Volts Voc |
A Isc Pmax V Voc |
常用解決方案
目前，太陽能電池測試解決方案分為兩大類：成套系統(tǒng)和通用測試儀器。成套系統(tǒng)適用于驗(yàn)證和制造測試階段。這些系統(tǒng)可以確保測試的可重復(fù)性，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過編程，可對(duì)太陽能電池進(jìn)行一系列電池測試。
研究人員通常會(huì)使用半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中的通用測試儀器。他們使用半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀測量二極管器件特性，使用 LCR 測量計(jì)（電感電容電阻測量計(jì)）測量材料/器件的電感、電容和電阻。
在測試整個(gè)太陽能電池輸出功率時(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）；
精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱感知）。
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，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（包括溫度測量、掃描、開關(guān)和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等）構(gòu)成靈活的測試系統(tǒng)，才能在廣泛的工作范圍內(nèi)對(duì)這些太陽能電池模塊進(jìn)行測試，同時(shí)保證測量精度。例如，您可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掃描環(huán)境溫度、被測件溫度、校準(zhǔn)參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數(shù)。
戶外測試
部分工程師可能會(huì)使用配備了太陽仿真器的成套太陽能電池測試系統(tǒng)展開測試。太陽仿真器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源，可以控制照射太陽能電池的光能。但是當(dāng)太陽能電池或模塊過大時(shí)，太陽仿真器無法產(chǎn)生足夠的光能。例如，被測的太陽能電池模塊可能是大型戶外太陽能收集系統(tǒng)的一部分。此時(shí)，測試只能以太陽作為真實(shí)的物理光源。由于在戶外使用成套測試系統(tǒng)（無太陽仿真器）進(jìn)行測試是不現(xiàn)實(shí)的，工程師不得不放棄這種測試方法，而采用由標(biāo)準(zhǔn)測試儀器構(gòu)成的其他測試解決方案。
戶外測試還需考慮溫度因素。電池性能會(huì)受到溫度的影響，因此在測試時(shí)，有必要使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測。不僅電池性能會(huì)受到溫度的影響，測試設(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，以確保測試儀器的精度。
大功率測試的負(fù)載
對(duì)于大功率應(yīng)用，您可以使用標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載進(jìn)行太陽能電池測試。由于習(xí)慣了使用成套系統(tǒng)或 4 象限電源，許多工程師在進(jìn)行太陽能電池測試時(shí)不會(huì)想到電子負(fù)載。鑒于太陽能電池可以產(chǎn)生能量，在使用 4 象限電源對(duì)其進(jìn)行測試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式如下：太陽能電池對(duì)電源的端點(diǎn)施加了一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽能電池流向 4 象限電源的端點(diǎn)，意味著 4 象限電源觀察到的是負(fù)電流（相對(duì)其端點(diǎn)）。此時(shí)也可以說是 4 象限電源在吸收電流。在電學(xué)上，對(duì)端點(diǎn)施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱為電子負(fù)載。因此，對(duì)大部分太陽能電池測試來說，如果有光線照在太陽能電池上，且電池正在產(chǎn)生電力，4 象限電源即作為電子負(fù)載使用。使用電子負(fù)載的優(yōu)勢在于它可以適應(yīng)所有的電流和功率：使用 50W 或更高（可達(dá)數(shù)千 W 和數(shù)百 A）的電子負(fù)載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。
電子負(fù)載可在恒壓（或 CV）模式下工作。恒壓模式下，負(fù)載將調(diào)整流經(jīng)自身的電流，以調(diào)節(jié)其端點(diǎn)的電壓，使其保持在一個(gè)恒定值。因此，恒壓模式可用于創(chuàng)建電壓掃描：使用負(fù)載控制太陽能電池輸出的電壓，然后測量生成的電流（如圖 2 所示）。部分負(fù)載（例如 Agilent N3300 系列）可以快速執(zhí)行 CV 定位點(diǎn)列表以掃描恒壓模式的輸出電壓，從而快速繪制 I-V 曲線。與此同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽能電池流向負(fù)載的電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形（與捕獲示波器跡線類似）。通過繪制掃描控制的 CV 電壓和數(shù)字轉(zhuǎn)換的實(shí)際電流圖像，您可以創(chuàng)建 I-V 曲線。由于這一切可以作為快速掃描在短時(shí)間內(nèi)完成，整個(gè)測試可在大約一秒鐘的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現(xiàn)變化前完成。
圖 2：使用 CV 模式下的電子負(fù)載測量 I-V 曲線
圖中文字中英對(duì)照：
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Amps Vsc End V = Vshort Set lower V, Meas I Max Power Point when V*I = max is used to determine efficiency Start V = Voc Voc Volts Process: Set electronic load to CV Set electronic load V = Voc Measure I Decrement CV setting Measure I at each step of the loop Stop when CV setting = Vsc Plot I-V curve Use V, I pairs to determine max Power |
A Vsc 結(jié)束 V = Vshort 設(shè)定低電壓，測量電流 最大功率點(diǎn)（V*I 值最大時(shí)）用于確定效率 起始電壓 ＝ Voc Voc V 步驟： 設(shè)定電子負(fù)載為 CV 設(shè)定電子負(fù)載 V＝ Voc 測量電流 逐步下調(diào) CV 設(shè)置 在循環(huán)的每個(gè)步驟測量電流 在 CV 設(shè)定＝ Vsc 時(shí)停止 繪制 I-V 曲線圖 使用 V 和 I 乘積確定最大功率 |
許多電子負(fù)載具有工作電壓下限，因?yàn)榇蟛糠蛛娮迂?fù)載以 FET 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。要正確地傳導(dǎo)電流，F(xiàn)ET 需要一個(gè)流經(jīng) FET 的最小電壓，意味著負(fù)載的 + 和 – 輸入端點(diǎn)間有一個(gè)最小工作電壓。通常，電子負(fù)載的最小輸入電壓為 2 到 3 W。為電子負(fù)載串聯(lián)一個(gè)直流電源可以消除這個(gè)限制。參見圖 3，用于為電子負(fù)載提供補(bǔ)償電壓的直流電源稱為補(bǔ)償電源。通常，補(bǔ)償電源設(shè)為 3 V，以確保滿足電子負(fù)載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會(huì)對(duì)太陽能電池產(chǎn)生影響。直流電源是一個(gè)浮置器件，最多會(huì)將太陽能電池偏置 3 V。
圖 3：配置用于太陽能電池測試的電子負(fù)載和補(bǔ)償電源
圖中文字中英對(duì)照：
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Solar Cell Offset Supply Set to 3V Current flow Electronic Load Always has ≥ 3V on inputs |
太陽能電池 補(bǔ)償電源 設(shè)為 3V 電流 電子負(fù)載 輸入端始終保持 ≥ 3V 電壓 |
結(jié)論和更多信息
全球?qū)η鍧崱?a href="http://ihrv.cn/article/index.aspx?id=23964 ">可再生能源的迫切需求正推動(dòng)著太陽能電池技術(shù)高速發(fā)展。隨著太陽能電池尺寸的增加和效率的提升，電池測試可能會(huì)遇到更大的電流和功率，因此市場需要更靈活的測試設(shè)備。此時(shí)，成套解決方案可能無法滿足需求，工程師可以使用現(xiàn)有的電子負(fù)載來測試太陽能電池。如果配置和應(yīng)用適當(dāng)，電子負(fù)載可用于對(duì)太陽能電池或太陽能電池模塊輸出進(jìn)行所有與功率相關(guān)的測量。目前市場上的電子負(fù)載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測量精度。負(fù)載、數(shù)字萬用表和數(shù)據(jù)采集設(shè)備相結(jié)合，可以在成套系統(tǒng)靈活度不夠的情況下滿足您的測量需求。
如欲了解更多關(guān)于使用標(biāo)準(zhǔn)測試儀器進(jìn)行太陽能電池和太陽能電池模塊測試的信息，請(qǐng)參閱安捷倫出版物“Solar Cell and Module Testing: How to decrease costs and increase flexibility in a rapidly changing test environment”，5990-3262EN。只需在安捷倫主頁頂部的搜索框中輸入“5990-3262EN”，即可從www.agilent.com 下載這個(gè) 12 頁的應(yīng)用指南。