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當前，全球正面臨著(zhù)嚴峻的環(huán)境問(wèn)題，而且能源日漸緊缺。太陽(yáng)能因為具有清潔和可再生的特點(diǎn)，所以成為首選的替代能源，推動(dòng)相關(guān)的太陽(yáng)能電池技術(shù)實(shí)現飛速發(fā)展。這一切變化加大了太陽(yáng)能行業(yè)對太陽(yáng)能電池（以及太陽(yáng)能電池模塊）測試與測量解決方案的需求。 典型測量 太陽(yáng)能電池測量通常包括以下關(guān)鍵參數。 開(kāi)路電壓（Voc）――電流為零時(shí)的電池電壓。 短路電流（Isc）――負載電阻為零時(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(xiàn)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。 器件的轉換效率（η）――在太陽(yáng)能電池連接至電路時(shí)，轉換（從光能轉換為電能）和收集的功率百分比。η 的計算方法為：最大功率點(diǎn) Pmax 除以標準測試條件（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（FF）――最大功率點(diǎn) Pmax 除以開(kāi)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(xiàn)圖 圖中文字中英對照：
常用解決方案 目前，太陽(yáng)能電池測試解決方案分為兩大類(lèi)：成套系統和通用測試儀器。成套系統適用于驗證和制造測試階段。這些系統可以確保測試的可重復性，因為它們經(jīng)過(guò)編程，可對太陽(yáng)能電池進(jìn)行一系列電池測試。 研究人員通常會(huì )使用半導體設計實(shí)驗室中的通用測試儀器。他們使用半導體器件參數分析儀測量二極管器件特性，使用 LCR 測量計（電感電容電阻測量計）測量材料/器件的電感、電容和電阻。 在測試整個(gè)太陽(yáng)能電池輸出功率時(shí)，許多研究實(shí)驗室會(huì )使用低功率 4 象限電源（有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng) SMU），該電源可以： 精確地供應正和負電壓（供應也稱(chēng)施加）； 精確地供應正和負電流（供應負電流是將電流吸入電源的過(guò)程）； 精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱(chēng)感知）。 4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠為被測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 3 A 或 20 W 的連續電力。這種最大電流和功率適合小型獨立電池測試，但隨著(zhù)電池技術(shù)的發(fā)展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現了較大幅度的增長(cháng)，電池功率輸出可能很快超過(guò) 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(guò) 50 W 甚至可以達到 300W 或以上的輸出，這意味著(zhù)對其進(jìn)行測試將無(wú)法繼續使用 4 象限電源。 為此，工程師必須使用現有的標準電子負載、直流電源、數字萬(wàn)用表、數據采集設備（包括溫度測量、掃描、開(kāi)關(guān)和數據記錄設備等）構成靈活的測試系統，才能在廣泛的工作范圍內對這些太陽(yáng)能電池模塊進(jìn)行測試，同時(shí)保證測量精度。例如，您可以使用數據采集系統掃描環(huán)境溫度、被測件溫度、校準參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數。 戶(hù)外測試 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)能電池測試系統展開(kāi)測試。太陽(yáng)仿真器是一個(gè)標準光源，可以控制照射太陽(yáng)能電池的光能。但是當太陽(yáng)能電池或模塊過(guò)大時(shí)，太陽(yáng)仿真器無(wú)法產(chǎn)生足夠的光能。例如，被測的太陽(yáng)能電池模塊可能是大型戶(hù)外太陽(yáng)能收集系統的一部分。此時(shí)，測試只能以太陽(yáng)作為真實(shí)的物理光源。由于在戶(hù)外使用成套測試系統（無(wú)太陽(yáng)仿真器）進(jìn)行測試是不現實(shí)的，工程師不得不放棄這種測試方法，而采用由標準測試儀器構成的其他測試解決方案。 戶(hù)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)，有必要使用數據采集系統或溫度測量系統進(jìn)行溫度監測。不僅電池性能會(huì )受到溫度的影響，測試設備同樣會(huì )受到溫度的影響。許多儀器廠(chǎng)商未指明測試設備在非室溫條件（25 ± 5 °C）下的技術(shù)指標，而優(yōu)質(zhì)測試設備廠(chǎng)商會(huì )提供溫度系數技術(shù)指標，以幫助調整測試儀器的精度指標，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(hù)外環(huán)境中正確使用測試儀器，您需要了解實(shí)時(shí)溫度，并根據溫度系數技術(shù)指標進(jìn)行相應的調整，以確保測試儀器的精度。 大功率測試的負載 對于大功率應用，您可以使用標準電子負載進(jìn)行太陽(yáng)能電池測試。由于習慣了使用成套系統或 4 象限電源，許多工程師在進(jìn)行太陽(yáng)能電池測試時(shí)不會(huì )想到電子負載。鑒于太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生能量，在使用 4 象限電源對其進(jìn)行測試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式如下：太陽(yáng)能電池對電源的端點(diǎn)施加了一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽(yáng)能電池流向 4 象限電源的端點(diǎn)，意味著(zhù) 4 象限電源觀(guān)察到的是負電流（相對其端點(diǎn)）。此時(shí)也可以說(shuō)是 4 象限電源在吸收電流。在電學(xué)上，對端點(diǎn)施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱(chēng)為電子負載。因此，對大部分太陽(yáng)能電池測試來(lái)說(shuō)，如果有光線(xiàn)照在太陽(yáng)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載使用。使用電子負載的優(yōu)勢在于它可以適應所有的電流和功率：使用 50W 或更高（可達數千 W 和數百 A）的電子負載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。 電子負載可在恒壓（或 CV）模式下工作。恒壓模式下，負載將調整流經(jīng)自身的電流，以調節其端點(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：使用負載控制太陽(yáng)能電池輸出的電壓，然后測量生成的電流（如圖 2 所示）。部分負載（例如 Agilent N3300 系列）可以快速執行 CV 定位點(diǎn)列表以?huà)呙韬銐耗Ｊ降妮敵鲭妷�，從而快速繪制 I-V 曲線(xiàn)。與此同時(shí)，負載可以將從太陽(yáng)能電池流向負載的電流波形轉換成數字波形（與捕獲示波器跡線(xiàn)類(lèi)似）。通過(guò)繪制掃描控制的 CV 電壓和數字轉換的實(shí)際電流圖像，您可以創(chuàng )建 I-V 曲線(xiàn)。由于這一切可以作為快速掃描在短時(shí)間內完成，整個(gè)測試可在大約一秒鐘的時(shí)間內實(shí)現，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現變化前完成。 圖 2：使用 CV 模式下的電子負載測量 I-V 曲線(xiàn) 圖中文字中英對照：
許多電子負載具有工作電壓下限，因為大部分電子負載以 FET 為基礎設計。要正確地傳導電流，FET 需要一個(gè)流經(jīng) FET 的最小電壓，意味著(zhù)負載的 + 和 – 輸入端點(diǎn)間有一個(gè)最小工作電壓。通常，電子負載的最小輸入電壓為 2 到 3 W。為電子負載串聯(lián)一個(gè)直流電源可以消除這個(gè)限制。參見(jiàn)圖 3，用于為電子負載提供補償電壓的直流電源稱(chēng)為補償電源。通常，補償電源設為 3 V，以確保滿(mǎn)足電子負載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會(huì )對太陽(yáng)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(yáng)能電池偏置 3 V。 圖 3：配置用于太陽(yáng)能電池測試的電子負載和補償電源 圖中文字中英對照：
結論和更多信息 全球對清潔、可再生能源的迫切需求正推動(dòng)著(zhù)太陽(yáng)能電池技術(shù)高速發(fā)展。隨著(zhù)太陽(yáng)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(chǎng)需要更靈活的測試設備。此時(shí)，成套解決方案可能無(wú)法滿(mǎn)足需求，工程師可以使用現有的電子負載來(lái)測試太陽(yáng)能電池。如果配置和應用適當，電子負載可用于對太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)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(chǎng)上的電子負載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測量精度。負載、數字萬(wàn)用表和數據采集設備相結合，可以在成套系統靈活度不夠的情況下滿(mǎn)足您的測量需求。 |
