CN102520330A

CN102520330A - 太阳能电池光伏器件伏安特性测试***

Info

Publication number: CN102520330A
Application number: CN2011103923734A
Authority: CN
Inventors: 王鸣魁; 李志鸿
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: CN102520330B

Abstract

太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，属于光电测试装置，解决现有测试***必须采用人工操作的方式设定辐照度值、测定辐照度值与测试样品电池过程不能同时进行的问题。本发明包括太阳光模拟器、辐照度选择装置、辐照度测定装置、电池测试装置和计算机，太阳光模拟器由光路上的氙灯和大气质量1.5滤波片组成，太阳光模拟器输出光路上依次设置有辐照度选择装置和辐照度测定装置；直流电压源对辐照度选择装置和辐照度测定装置供电；电池测试装置通过通用接口总线连接计算机。本发明的***组装简单、快速、易操作，所需各装置和组件均有市售，元件易得，能够实时，精准，自动化给出特性曲线。

Description

太阳能电池光伏器件伏安特性测试***

技术领域

本发明属于光电测试装置，尤其涉及一种太阳能电池光伏器件伏安特性测试***。

背景技术

预计2050年，地球人口将达到120亿，伴随经济的增长，全球能量消耗总量将为28TW。目前全球用量约14TW，能源缺口为14TW。因此，急需低成本、高效率的光伏电池来满足未来对能源的需求。

染料敏化太阳能电池是模仿绿色植物光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池，所用的材料价格低廉，制作工艺相对简单，制备成本低，设备投资少，而且使用寿命长，性能稳定，在生产、制作和使用过程中没有污染和毒害作用。该电池的显著特点是可以从各个角度将透过玻璃面板的可见光转化为电能，如用于驱动风扇。和常规硅基太阳能电池的工作原理不同，染料敏化太阳能电池中光吸收和电荷载流子传输分别在不同材料中进行，能够在弱光条件下进行光电转换工作，是目前太阳能电池领域中唯一能够做到透明的装置，这是该类型电池作为新能源应用方面的一个显著优势。自1991年瑞士M.

教授及其合作者在《自然》期刊(Nature，1991，353，737)报道了该类高效率电池以后，受到人们广泛关注，已经成为新一代太阳能电池最为活跃的前沿领域之一。目前，该电池在大气质量1.5(Air Mass 1.5简称AM 1.5)条件下的光电转换效率达12.3％。

在对染料敏化太阳能电池等光伏器件的研究过程中，精确的测试太阳能电池的伏安特性，可以得到一些重要参数，如：开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充因子(FF)、最大输出功率(Pmax)、转换效率(η)等，特别是测量不同辐照度条件下的器件伏安特性，能够直观的表征电池器件的性能。因此测试方法和测试***的改进对研究、提高太阳能电池效率具有重大的实际意义。

美国Newport公司开发的OrielI-V特性测试***，可对太阳能电池的伏安特性和器件物理参数进行测试和计算，包括开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充因子(FF)、最大输出功率(Pmax)、转换效率(η)等参数，该***包括太阳光模拟器、数字源表、标准电池、电池支架、探针组件以及配套软件。尽管该***数据测试精确，但是设定辐照度必须改变太阳光模拟器的发光强度且需要人工操作、测定辐照度值与测试样品电池器件过程不能同时进行。由于实际辐照度条件受环境温度、空气湿度、太阳光模拟器的发光强度的影响，不可避免与设定的辐照度值有一定范围的误差。为了增加测试精度提高，必须在测量样品电池器件参数的同时测量实际辐照度条件。人工操作的方式设定辐照度条件，会增加整个测试的复杂性，而不能实时测定样品电池器件的实际辐照度条件，会降低测试的准确性。目前国内现有的光伏器件测试***主要供应商提供的测试***或者装置也存在相同的难题。

发明内容

本发明提供一种太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，解决现有测试***必须采用人工操作的方式设定辐照度值、测定辐照度值与测试样品电池过程不能同时进行的问题。

本发明的一种太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，包括太阳光模拟器、电池测试装置和计算机，其特征在于：

所述太阳光模拟器输出光路上依次设置有辐照度选择装置和辐照度测定装置；

所述太阳光模拟器，由光路上的氙灯和大气质量1.5滤波片组成，产生模拟太阳光，其光谱辐照度接近大气质量1.5的标准太阳光谱辐照度；

所述辐照度选择装置包括转盘、直流电机、直流电机驱动电路和光电检测电路，所述转盘中心固定于直流电机转轴，直流电机由直流电机驱动电路控制驱动；直流电机和直流电机驱动电路由直流电压源供电；所述转盘上具有N个沿圆周均匀排列、孔径一致的通光孔，其中N-1个通光孔上分别装有覆盖通光孔的滤光网，2≤N≤20，各滤光网的目数为10目～400目，且互不相等；所述光电检测电路位于转盘的后方，由光电二极管、偏置电路及第一模数转换电路组成，其中光电二极管处于所述转盘圆周通光孔位置，第一模数转换电路通过串行接口与计算机通信；

所述辐照度测定装置包括电动平移台、电动平移台驱动电路和电信号采集电路，所述电动平移台的台面与辐照度选择装置输出光路方向垂直，电动平移台的台面上放置有参比电池，电动平移台驱动电路控制电动平移台沿水平方向运动，电动平移台驱动电路由直流电压源供电；所述的电信号采集电路由测试电阻和第二模数转换电路并联组成，其中测试电阻与参比电池串联，第二模数转换电路通过串行接口与计算机通信；

测试时，待测电池置于电动平移台台面上，电池测试装置和待测电池串联组成测试电路，电池测试装置通过通用接口总线连接计算机；

所述计算机进行下述操作：

A.通过输入界面输入测试参数：测试待测电池的辐照度值P、待测电池的面积S以及电池测试装置测试待测电池的起始偏压值和结束偏压值；

B.接收第一模数转换电路的电压值V₁，将其作为对应的辐照度值P₁：P₁＝K₁×V₁+b₁，其中，K₁，b₁均为常数，由具体的光电二极管型号确定；

C.判断是否|(P₁-P)/P|≤10％，是则转步骤D，否则控制辐照度选择装置中直流电机驱动电路，驱动直流电机带动转盘转动，并进行步骤C；

D.控制辐照度选择装置中直流电机驱动电路，停止直流电机和转盘转动，转盘停止转动以后，控制辐照度测定装置中的电动平移台驱动电路驱动电动平移台平移一个行程，同时接收第二模数转换电路传送的一系列参比电池电信号值，并记录各电信号值对应的电动平移台平移位置，从各电信号值中得到最大电信号值以及对应的平移位置，并将最大电信号值I_in作为对应的实际辐照度值P_in；P_in＝K₂×I_in+b₂，K₂，b₂均为常数，由具体参比电池型号确定；

E.控制辐照度测定装置中的电动平移台驱动电路驱动电动平移台继续平移，使样品电池平移到最大电信号值对应的平移位置处；样品电池到达该位置后，控制电池测试装置开始测试待测电池的伏安特性，接收并保存电池测试装置传输的待测电池伏安特性测试数据，进行处理后输出伏安特性曲线以及下述表征参数：开路电压Voc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax、填充因子FF、转换效率η。

所述大气质量1.5的标准太阳光谱辐照度在国标GB/T17683.1-1999中加以规定；

所述开路电压Voc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax、填充因子FF、转换效率η在国标GB/T6495.3-1996中加以规定。

所述的太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，其特征在于：

由具体的光电二极管型号确定常数K₁，b₁的过程为，在一系列不同辐照度条件下测定光电二极管对应的光电压，得到辐照度-光电压曲线，对该曲线进行线性拟合，得到K₁、b₁；

由具体参比电池型号确定常数K₂，b₂的过程为：在一系列不同辐照度条件下测定参比电池对应的电信号，得到辐照度-电信号曲线，对该曲线进行线性拟合，得到K₂、b₂；所述电信号为电流值、电压值或功率值；

所述一系列不同辐照度条件由标准太阳电池标定。

所述的太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，其特征在于：所述滤光网为金属网。

本发明中，计算机一方面对辐照度选择装置、辐照度测定装置进行控制，使辐照度选择过程和辐照度值测定过程无需人工操作，从而可以减少因为人为原因造成的测量误差，提高***测量精确度和可靠性，另一方面分析处理获得的数据使电池测试过程和数据处理简单化；本发明能够在不同的辐照度条件下对染料敏化太阳能电池为代表的光伏器件进行测试，同时，对实际的辐照度值进行精确的标定，使得测试结果真实和精确。

本发明的***组装简单、快速、易操作，所需各装置和组件均有市售，元件易得，能够实时，精准，自动化给出特性曲线。

附图说明

图1、本发明的示意图；

图2、辐照度选择装置示意图；

图3、辐照度测定装置示意图；

图4、辐照度选择装置的滤光网透射率示意图；

图5、计算机控制流程示意图；

图6、样品电池器件在标准测试条件下的伏安特性曲线图；

图7、样品电池器件在不同辐照度条件下的伏安特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括太阳光模拟器3、电池测试装置7和计算机8，所述太阳光模拟器3，由光路上的氙灯1和大气质量1.5滤波片2组成，氙灯1发出光束，大气质量1.5滤波片2对该光束波谱进行修正，得到模拟太阳光，其光谱辐照度接近大气质量1.5的标准太阳光谱辐照度；太阳光模拟器3输出光路上依次设置有辐照度选择装置4和辐照度测定装置6；直流电压源5对辐照度选择装置4和辐照度测定装置6供电；电池测试装置7通过通用接口总线连接计算机8。

如图2所示，辐照度选择装置4包括转盘9、直流电机13、直流电机驱动电路11和光电检测电路12，所述转盘9中心固定于直流电机转轴，直流电机由直流电机驱动电路11控制驱动；直流电机13和直流电机驱动电路11由直流电压源5供电；所述转盘9上具有N个沿圆周均匀排列、孔径一致的通光孔，其中N-1个通光孔上分别装有覆盖通光孔的滤光网10，2≤N≤20，各滤光网的目数为10目～400目，且互不相等；所述光电检测电路12位于转盘9的后方，由光电二极管、偏置电路及第一模数转换电路组成，其中光电二极管处于所述转盘圆周通光孔位置，第一模数转换电路通过串行接口与计算机8通信；

如图3所示，辐照度测定装置6包括电动平移台16、电动平移台驱动电路14和电信号采集电路15，所述电动平移台16的台面与辐照度选择装置4输出光路方向垂直，电动平移台16的台面上放置有参比电池18，电动平移台驱动电路14控制电动平移台16沿水平方向运动，电动平移台驱动电路14由直流电压源5供电；所述的电信号采集电路15由测试电阻和第二模数转换电路并联组成，其中测试电阻与参比电池18串联，第二模数转换电路通过串行接口与计算机8通信；

测试时，待测电池置于电动平移台16台面上，电池测试装置7和待测电池17串联组成测试电路，电池测试装置7通过通用接口总线连接计算机8；

本发明的实施例中，氙灯1采用Newport公司生产的6258型氙灯，光斑大小为50.8mm，大气质量1.5滤波片2为Newport公司的生产AM1.5G滤波片；转盘9上具有4个沿圆周均匀排列、孔径为70mm的圆通光孔，转盘直径为400mm，圆通光孔和转盘中心距为100mm；滤光网10采用20目钢网、100目钢网、400目钢网，分别覆盖在3个圆通光孔上，剩下一个圆通光孔不覆盖任何钢网，从而4个圆通光孔辐照度透过率为100％、74％、50％、24％，转盘其他位置透过率为0，利用紫外可见近红外分光光度计分析滤光网10如图4所示，74％、50％、24％三种钢网在200nm至1200nm范围上透射率可以认为是直线，和100％即未覆盖钢网相比，透过率下降了而光谱的分布并未改变，即入射光与透射光相比辐照度下降而光谱不变化，因而达到既有选择辐照度的功能又不会使光束光谱变化的目的；光电检测电路12的光电二极管采用美国VishaySiliconix公司生产的BPW21型光电二极管，对应K₁＝0.25，b₁＝-0.25；

参比电池18采用美国Newport公司生产的91150V型标准太阳电池，电信号采用功率值，对应的常数K₂＝1、b₂＝0；在每次测试前对实际辐照度进行标定，电信号采集电路15采用优利德科技有限公司的UT71E万用表，测量参比电池18电流值，并利用串行接口将该电流值传输到计算机8，计算机8将该电流值转换为辐照度值，从而获得照射在待测电池上的实际辐照度值，电动平移台16及电动平移台驱动电路14采用武汉华天科远光电有限公司提供的电动平移台***及配套的电动平移台控制和驱动装置；直流电压源5采用成都英特罗克科技有限公司提供的IPD-3303LU可编程线性直流电源，电池测试装置7采用美国keithley公司生产的keithley2400型数字电源电表，计算机8采用联想杨天系列M6600N型计算机。

图5为计算机控制流程示意图，本实施例在美国Wavematrix公司提供的Igor6.21编程环境下，设计与***配套的程序。

进行测试时，电动平移台台面放置待测电池，待测电池和参比电池的中心连线和电动平移台的运动方向平行。具体测试步骤如下：

1.打开计算机、直流电压源、氙灯电源；放置待测电池到正确位置，并固定待测电池；

2.在计算机输入界面输入所需的测试参数，包括测试电池的辐照度值P、待测电池的面积S以及测试待测电池的起始偏压值和结束偏压值，开始测试；

3.计算机输出表征参数后，测试者可以更改设定的辐照度值，重复步骤2继续测试，直到测试者结束本次测试，更换电池进行下一次测试；测试者也可以立刻结束本次测试，更换电池进行下一次测试。

测试结果如图6、图7所示：

其中图6为样品电池器件在标准测试条件下的测试曲线图，输出参数为：开路电压＝0.81V，短路电流＝-16mA/em2，最大输出功率＝-9mW，填充因子＝0.70，效率＝9.1％；

图7为样品电池器件在辐照度分别为标准测试条件下辐照度的100％、75％、50％、25％条件下测试曲线图，输出参数依次为：

开路电压＝0.81V，短路电流＝-16mA/cm²，最大输出功率＝-9mW，填充因子＝0.70，效率＝9.1％；

开路电压＝0.80V，短路电流＝-12mA/cm²，最大输出功率＝-7mW，填充因子＝0.72，效率＝9.2％；

开路电压＝0.78V，短路电流＝-8mA/cm²，最大输出功率＝-4.6mW，填充因子＝0.73，效率＝9.2％；

开路电压＝0.75V，短路电流＝-4mA/cm²，最大输出功率＝-2.2mW，填充因子＝0.75，效率＝9.1％。

标准太阳电池和标准测试条件在国标6495.3-1996中有相关规定。

Claims

1.一种太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，包括太阳光模拟器(3)、电池测试装置(7)和计算机(8)，其特征在于：

所述太阳光模拟器(3)输出光路上依次设置有辐照度选择装置(4)和辐照度测定装置(6)；

所述太阳光模拟器(3)，由光路上的氙灯(1)和大气质量1.5滤波片(2)组成，产生模拟太阳光，其光谱辐照度接近大气质量1.5的标准太阳光谱辐照度；

所述辐照度选择装置(4)包括转盘(9)、直流电机(13)、直流电机驱动电路(11)和光电检测电路(12)，所述转盘(9)中心固定于直流电机转轴，直流电机由直流电机驱动电路控制(11)驱动；直流电机(13)和直流电机驱动电路(11)由直流电压源(5)供电；所述转盘(9)上具有N个沿圆周均匀排列、孔径一致的通光孔，其中N-1个通光孔上分别装有覆盖通光孔的滤光网(10)，2≤N≤20，各滤光网的目数为10目～400目，且互不相等；所述光电检测电路(12)位于转盘(9)的后方，由光电二极管、偏置电路及第一模数转换电路组成，其中光电二极管处于所述转盘圆周通光孔位置，第一模数转换电路通过串行接口与计算机(8)通信；

所述辐照度测定装置(6)包括电动平移台(16)、电动平移台驱动电路(14)和电信号采集电路(15)，所述电动平移台(16)的台面与辐照度选择装置(4)输出光路方向垂直，电动平移台(16)的台面上放置有参比电池(18)，电动平移台驱动电路(14)控制电动平移台(16)沿水平方向运动，电动平移台驱动电路(14)由直流电压源(5)供电；所述的电信号采集电路(15)由测试电阻和第二模数转换电路并联组成，其中测试电阻与参比电池(18)串联，第二模数转换电路通过串行接口与计算机(8)通信；

测试时，待测电池置于电动平移台(16)台面上，电池测试装置(7)和待测电池(17)串联组成测试电路，电池测试装置(7)通过通用接口总线连接计算机(8)；

所述计算机(8)进行下述操作：

A.通过输入界面输入测试参数：测试电池的辐照度值P、待测电池的面积S以及电池测试装置(7)测试待测电池的起始偏压值和结束偏压值；

C.判断是否|(P₁-P)/P|≤10％，是则转步骤D，否则控制辐照度选择装置(4)中直流电机驱动电路(11)，驱动直流电机(13)带动转盘(9)转动，并进行步骤C；

D.控制辐照度选择装置(4)中直流电机驱动电路(11)，停止直流电机(13)和转盘(9)转动，转盘(9)停止转动以后，控制辐照度测定装置(6)中的电动平移台驱动电路(14)驱动电动平移台(16)平移一个行程，同时接收第二模数转换电路传送的一系列参比电池(18)电信号值，并记录各电信号值对应的电动平移台(16)平移位置，从各电信号值中得到最大电信号值以及对应的平移位置，并将最大电信号值I_in作为对应的实际辐照度值P_in；P_in＝K₂×I_in+b₂，K₂，b₂均为常数，由具体参比电池型号确定；

E.控制辐照度测定装置(6)中的电动平移台驱动电路(14)驱动电动平移台(16)继续平移，使样品电池平移到最大电信号值对应的平移位置处；样品电池到达该位置后，控制电池测试装置(7)开始测试待测电池的伏安特性，接收并保存电池测试装置(7)传输的待测电池伏安特性测试数据，进行处理后输出伏安特性曲线以及下述表征参数：开路电压Voc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax、填充因子FF、转换效率η。

2.如权利要求1所述的太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，其特征在于：

所述一系列不同辐照度条件由标准太阳电池标定。

3.如权利要求1或2所述的太阳能电池光伏器件伏安特性测试***，其特征在于：所述滤光网为金属网。