CN108540096A - 温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置和方法。该测试装置包括模拟太阳光光源、恒温仪、真空泵、激光器、多组热电偶和数据采集器；真空泵通过真空管道和恒温仪连接，恒温仪通过光纤和激光器相连，恒温仪内设置有太阳能电池和两组热电偶，一组热电偶通过导线和数据采集器相连接，另一组热电偶通过导线和温控仪相连，恒温仪顶部黑色接口处连出两根导线分别和数字源表的正负极相连；模拟太阳光灯光源发出太阳光线照射着太阳能电池。本发明能实现不同工况下的太阳能电池片表面温度分布对自身电池开路电压Voc和填充因子的影响及太阳能电池光电转换效率的影响规律同步测试，减小了测量误差，提高了测试的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体的说，涉及一种温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置和方法。
背景技术
随着环境污染和能源紧缺形势的逐渐严峻，探寻清洁环保的新型能源和新的能源转换方式已成为目前各研究机构和能源企业关注的重点。在众多新能源转换技术中，光伏发电***以其静态操作、环境友好、高可靠性等优点，吸引了众多研究者的兴趣。光伏发电***是利用太阳能电池的光电效应将光能转化为电能的光能利用***，当太阳能电池在太阳光照射下时，会产生电势差，并在通路情况下伴有电流产生。光伏发电***可以将太阳能最大限度地合理利用，是利用太阳能发电的新技术。随着材料科学的发展，光电技术的转换效率得到了较大的提高。在标准状况(25℃，1000w/m2)下晶体硅太阳能电池的最高效率是由新南威尔士大学保持的24.7％。尽管多年来相关研究人员不断努力，希望进一步提高晶体硅太阳能电池的效率，但是这一记录到目前为止还没有被刷新。研究表明，光伏发电***中太阳能电池表面热力学温度分布状况是提高光电转换性能的关键因素。温度分布状况会对太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率产生极大的影响，进而造成电池的输出功率发生很大变化，最终影响太阳能电池将太阳能转换成电能的功效。目前部分研究人员已经开始关注调整太阳能电池表面热力学温度分布技术与光电发电技术相结合，提高光电转换效率的研究。但是在性能测试时，大部分采取的是利用温控设备控制承载电池片载物台的温度分布，从而改变被测太阳能电池的温度分布状况，随后用闪光源一定距离正面照射被测电池，研究太阳能电池表面热力学温度的分布状况对太阳能电池光电转换性能影响。众所周知，太阳能电池和载物台接触会产生接触热阻并发生热传导，太阳能电池与周围流动空气也会发生对流换热，同时闪光光源每次光强都不一样，因此该实验装置不方便控制温度分布和光强强弱，进行表征会带来一定误差。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置和方法。包括光源、光路和温度控制装置三个部分
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的。
本发明提供一种温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置，其包括恒温仪、真空泵、温控仪、模拟太阳光光源、激光器、太阳能电池、数据采集器、数字源表和电脑控制终端；所述恒温仪呈圆柱形腔体结构，真空泵通过真空管道和恒温仪连接，激光器通过光纤和恒温仪的底部连接，恒温仪腔体内设置太阳能电池和两组热电偶，激光器发射的激光照射在太阳能电池的正中心，模拟太阳光光源水平发射太阳光线照射到太阳能电池上，太阳能电池的硅片上设置若干个测试点，腔体内一组热电偶测量测试点的温度，得到的温度测量数据通过导线输出至数据采集器，数据采集器连接在电脑控制终端上，腔体内另一组热电偶通过导线和温控仪连接，用于测量腔体内在真空状态下所维持的稳态温度；恒温仪的输出接口通过两根导线分别和数字源表的正负极相连，用于同时测试太阳能电池在确定表面温度分布下所产生的光电电压和电流。
本发明中，所述激光器发射的激光为红外光，超过太阳能电池所受光谱的影响范围，使之只能给太阳能电池加热，而不使其产生光电效应。
本发明中，恒温仪的腔体表面设置氧化铝隔热纤维材料保温层。
本发明中，测试点在5个～25个之间。
本发明中，测量测试点温度的热电偶用热红外成像仪代替。
本发明中，模拟太阳光光源为氙灯光源，光谱范围从紫外线到可见光20-2500nm。
本发明中，模拟太阳光光源发射的太阳光线，经过竖直设置的滤光片和衰减片照射到太阳能电池上。
本发明中，恒温仪上端设置液氮进料口。恒温仪内通过温控仪控制电加热丝升温以及人为在缓慢加入液氮降温，从而使热传递速率达到平衡，腔体内温度稳定在某个状态。
本发明中，还包括光强计，用光强计测试光源通过滤光片和衰减片后的稳定光照强度PIN。
本发明还提供一种上述测试装置的测试方法，包括如下步骤：
(1)用热电偶或热红外成像仪测量布置在太阳能电池的硅片上的若干个测试点温度，即得到太阳能电池表面的温度分布状况；
(2)在恒温仪腔体内放置一对热电偶，通过导线和温控仪相连，测量腔体在真空状态下维持的稳态温度；恒温仪输出接口处连出两根导线分别和数字源表的正负极相连，用于同时测试太阳能电池在同一时刻确定表面温度分布下所产生的光电电压U、光电电流I以及短路电流ISC、开路电压Voc，用光强计测试模拟太阳光光源通过滤光片和衰减片后的稳定光照强度PIN；
(3)依据数字源表上所得的IU曲线图，当光电电流由正值到负值的瞬间，此时所对应的两个光电电压的平均值就是Voc，同理取IU曲线一开始平稳曲线段电流数值变化不大(在初始电流值的±10％以内波动)的20-100个光电电流数据的平均值代表短路电流Isc，根据公式P＝UI计算某一时刻光电输出功率，其中U为该时刻对应的光电电压、I为该时刻对应的光电电流，其中的最大值计为Pmax，
由以下公式计算太阳能电池的光电转换效率η：
其中：PIN为所接受的稳定的光照强度；Pmax为最大的光电输出功率；
由以下公式计算太阳能电池的填充因子FF：
其中：Voc是开路电压；Isc是短路电流；Pmax为最大的光电输出功率。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的温度分布对太阳能电池特性的影响规律测试方法，可以实现不同工况下的太阳能电池表面热力学温度分布以及不同工况下太阳能电池表面所受光照强度及其光电转换效率影响的同步测试，减小了测量误差，提高了测试的准确性；
本发明采用氙灯提供太阳能电池所接受的光源，光线在光源镜头射出时，依次经过滤光片和衰减片，重复精度和稳定性精度高；
本发明恒温仪顶部设置有真空泵抽气，使腔体内部保持真空，避免了腔体内空气的对流换热，提高了测量精度和稳定性；
本发明采用了数据采集器和数字源表采集数据，其对温度以及光电效应所产生的电压和电流测量的精度大大提高，保证了整个测量过程中太阳能电池表面温度分布和所产生的光电电压及电流测量的精度。
附图说明
图1为本发明的测试装置结构示意图。
图2为表面不同的温度分布对太阳能电池最大输出功率的影响。
图3为表面不同的温度分布对太阳能电池光电转换效率的影响。
图4为表面不同的温度分布对太阳能电池填充因子的影响。
图中标号：1-恒温仪，2-真空管道，3-真空泵，4-激光器，5-温控仪，6-数据采集器，7-数字源表，8-电脑控制终端，9-模拟太阳光光源，10-滤光片，11-衰减片，12-稳压直流电源。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1为本发明的测试装置结构示意图，如图1所示：其包括恒温仪1、真空泵3、模拟太阳光光源9、滤光片10、衰减片11、真空管道、多组热电偶、温控仪5、激光器4、数据采集器6和数字源表7和电脑控制终端8；真空泵3通过真空管道2和恒温仪1连接，恒温仪1下部正对面孔洞通过光纤和激光器4相连，恒温仪1下部左侧面孔洞内设置有一组热电偶，热电偶通过导线和数据采集器6相连接，数据采集器6连接在电脑控制终端8上，恒温仪1顶部两输出接口处通过导线分别连接温控仪5和数字源表7，模拟太阳光灯光源9出口处以水平正对恒温仪1右侧面孔洞中心方向，发射模拟太阳光线，模拟太阳光源9和为之提供能量的稳压直流电源12相连。
模拟太阳光灯光源9出口依次布置滤光片10和衰减片11；模拟太阳光线依次垂直穿过滤光片10和衰减片11，在激光照射的恒温仪1腔体内放置太阳能电池，激光放射点应略微倾斜，使激光恰好射在太阳能电池片的正中心，避免了激光轨迹和硅片平行。在太阳能电池上取5个点，用热电偶或热红外成像仪分别测量这5个点的温度值，即可得到太阳能电池表面的温度分布状况；恒温仪1腔体内同样放置一对热电偶，经由恒温仪1顶部输出接口连接导线和温控仪5，测量腔体内在真空状态下所维持的稳态温度；恒温仪1顶部接口处连出两根导线分别和数字源表7的正负极相连，同时测试太阳能电池在一定表面温度分布下所产生的光电电压和电流。
激光器4发射的激光应为红外光，超过太阳能电池所受光谱的影响范围，使之只能给太阳能电池加热，而不使其产生光电效应。
真空泵3用来抽取恒温仪1腔体内部的空气，以保证恒温仪1内部处于真空状态。温控仪5调整加热丝的加热温度和人为控制恒温仪顶部漏斗液氮的倒入速率，保证恒温仪1腔体内部真空状态稳定性和温度均一性。激光器4提供太阳能电池在整个装置中热力学温度变化的能量来源。激光器4所发射的激光应为红外光，超过太阳能电池所受光谱的影响范围，使之只能给太阳能电池加热，而不使其产生光电效应，重复精度和稳定性精度高，是提供太阳能电池热量的理想工具。为了防止热损失，在恒温仪1腔体表面应用氧化铝隔热纤维材料包裹起来。
实施例中，光源采用卓立汉光仪器公司的氙灯光源(本专利同时也包括所有其他的模拟太阳光光源)，型号为GLORIA-X500A，其具有所射光强稳定，光谱范围广等特点。光谱范围从紫外线到可见光(20-2500nm)，输出光束直径46mm，光轴高度为157-193mm，光源功率大约在4000w/m^2，光源产生的是平行光。较大的光谱范围，可以保证模拟太阳光灯射出来的光线与太阳光线之间保持较大的相似度。光源镜头出口处布置滤光片10除去模拟太阳光灯光谱中不属于太阳光谱的一部分，布置衰减片11将光强从4000w/m^2衰减到一个太阳光强1000w/m^2。
实施例中，太阳能电池表面的热力学温度分布由测量布置在硅片上的5个测试点温度而得出，在太阳能电池上取5个点，用热电偶或热红外成像仪分别测量这5个点的温度值，即可得到太阳能电池表面的温度分布状况。
实施例中，太阳能电池不仅受到模拟太阳光的照射还受到激光直射，激光器4射出的激光恰好击中太阳能电池正中心，改变电池表面温度分布。装置利用温控仪5加热速率和人为液氮冷却速率来控制太阳能电池周围环境温度。整个恒温仪1由氧化铝隔热纤维材料包裹，减小装置与外界环境之间的热交换。在恒温仪1腔体内放置一对热电偶，通过导线和温控仪5相连，测量腔体在真空状态下所维持的稳态温度；恒温仪1顶部接口处连出两根导线分别和数字源表7的正负极相连，同时测试太阳能电池在同一时刻一定表面温度分布下所产生对应的光电电压U、光电电流I以及短路电流ISC、开路电压Voc。用光强计测试光源通过滤光片和衰减片后的稳定光照强度PIN。依据数字源表7上所得的IU曲线图，当光电电流由正值到负值的瞬间，此时所对应的两个光电电压的平均值就是Voc。同理一般取IU曲线一开始平稳曲线段电流数值变化不大的20-100个光电电流数据的平均值代表短路电流ISC。根据公式P＝UI计算某一时刻光电输出功率，其中U为该时刻对应的光电电压、I为该时刻对应的光电电流，其中的最大值计为Pmax。
由以下公式计算太阳能电池的光电转换效率：
其中PIN为所接受的稳定的光照强度；Pmax为最大的光电输出功率；
由以下公式计算太阳能电池的填充因子：
其中Voc是开路电压；Isc是短路电流；Pmax为最大的光电输出功率。
数据采集***是由数据采集器6(KEISIGHT 34970A)，数字源表7(KEITHLEY 2450)以及软件***组成。一台KEITHLEY 2450数字源表7用来测量太阳能电池的光电电压和电流，温度数据使用多通道数据采集器(KEISIGHT 34970A)进行采集。
实施例1
搭建和布置好各个装置，太阳能电池采用的是单晶硅太阳能电池，将太阳能电池用胶带粘附于腔体内部，并分别与数据采集器34970A(或热红外成像仪)和数字源表KEITHLEY2450相连接。在恒温仪内部，用真空泵抽取3小时，保持腔体内部一定的真空状态。从恒温仪1顶部的漏斗处缓慢倒入液氮，使恒温仪1内部的温度降低到-70K。接着打开温控仪5，通过控制加热丝加热使恒温仪1腔体内部的温度上升到一个稳定的状态250K。启动模拟太阳能光灯，模拟太阳光分别通过滤光片10和衰减片11后直射太阳能电池表面。启动激光器4，通过光纤和恒温仪1相连接，光纤进入恒温仪1内部时略微倾斜，使激光直射点恰好在太阳能电池正中心，调节激光的能量为49w，激光直射的时间间隔为100s。与此同时数据采集器34970A，设定时间间隔为2s，分别采集分布在太阳能电池表面通道101、102、103、104、105，这5个点的温度值，数据分析获得每个时间点表面温度分布的大致状况。同时用数字源表KEITHLEY 2450测量与上对应时间点的IU曲线图(对硅来说，设定扫描电压，正向偏压从0开始扫描，同时测I)。依据公式P＝UI，同一时刻，对应的电流和电流的乘积，取最大值来代表Pmax。图2为表面不同的温度分布对太阳能电池最大输出功率的影响。图2中随着太阳能电池表面的温度由75K上升到350K，太阳能电池最大输出功率从0.069W近似直线下降到0.051W。太阳能电池利用光强计来测量模拟太阳光灯出口处稳定的光照强度，具体测量方法为光强计所测得的读数除以光强镜头面积，即可得到PIN。依据公式分别求得不同温度分布下太阳能电池的光电转换效率。其中表面不同的温度分布对太阳能电池的光电转换效率的影响如图3所示。图3中随着太阳能电池表面的温度由75K上升到350K，太阳能电池的光电转换效率从0.208近似直线下降到0.154。
实施例2
具体操作步骤同上，用数字源表KEITHLEY 2450测量相对应时间点的开路电压Voc和短路电流Isc，具体读取方法如下，短路电流一般取IU曲线图，前端电流变化平稳处20-100个点的平均值代表短路电流。开路电压一般取IU曲线图，电流由正到负对应的两个电压的平均值Voc。利用公式分别求得不同温度分布下太阳能电池的填充因子。其中表面不同的温度分布对太阳能电池的填充因子的影响如图4所示。图4中随着太阳能电池表面的温度由75K上升到350K，太阳能电池的填充因子从0.7748下降到0.675，温度在75K到275K范围内，太阳能电池的填充因子近似直线下降，温度在275K到350K范围内，太阳能电池的填充因子随着温度下降的幅度有所缓和。
Claims (10)
1.一种温度分布对太阳能电池特性影响规律的测试装置，其特征在于：其包括恒温仪、真空泵、温控仪、模拟太阳光光源、激光器、太阳能电池、数据采集器、数字源表和电脑控制终端；所述恒温仪呈圆柱形腔体结构，真空泵通过真空管道和恒温仪连接，激光器通过光纤和恒温仪的底部连接，恒温仪腔体内设置太阳能电池和两组热电偶，激光器发射的激光照射在太阳能电池的正中心，模拟太阳光光源水平发射太阳光线照射到太阳能电池上，太阳能电池的硅片上设置若干个测试点，腔体内一组热电偶测量测试点的温度，得到的温度测量数据通过导线输出至数据采集器，数据采集器连接在电脑控制终端上，腔体内另一组热电偶通过导线和温控仪连接，用于测量腔体内在真空状态下所维持的稳态温度；恒温仪的输出接口通过两根导线分别和数字源表的正负极相连，用于同时测试太阳能电池在确定表面温度分布下所产生的光电电压和电流。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述激光器发射的激光为红外光。
3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：恒温仪的腔体表面设置氧化铝隔热纤维材料保温层。
4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：测试点在5个～25个之间。
5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：测量测试点温度的热电偶用热红外成像仪代替。
6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：模拟太阳光光源为氙灯光源，光谱范围从紫外线到可见光20-2500nm。
7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于：模拟太阳光光源发射的太阳光线，经过竖直设置的滤光片和衰减片照射到太阳能电池上。
8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，恒温仪上端设置液氮进料口。
9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：还包括光强计，用光强计测试光源通过滤光片和衰减片后的稳定光照强度PIN。
10.一种利用权利要求1～9之一所述的测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用热电偶或热红外成像仪测量布置在太阳能电池的硅片上的若干个测试点温度，即得到太阳能电池表面的温度分布状况；
(2)在恒温仪腔体内放置一对热电偶，通过导线和温控仪相连，测量腔体在真空状态下维持的稳态温度；恒温仪输出接口处连出两根导线分别和数字源表的正负极相连，用于同时测试太阳能电池在同一时刻确定表面温度分布下所产生的光电电压U、光电电流I以及短路电流ISC、开路电压Voc，用光强计测试模拟太阳光光源通过滤光片和衰减片后的稳定光照强度PIN；
(3)依据数字源表上所得的IU曲线图，当光电电流由正值到负值的瞬间，此时所对应的两个光电电压的平均值就是Voc，同理取IU曲线一开始平稳曲线段电流数值变化不大的20-100个光电电流数据的平均值代表短路电流Isc，根据公式P＝UI计算某一时刻光电输出功率，其中U为该时刻对应的光电电压、I为该时刻对应的光电电流，其中的最大值计为Pmax，
由以下公式计算太阳能电池的光电转换效率η：
其中：PIN为所接受的稳定的光照强度；Pmax为最大的光电输出功率；
由以下公式计算太阳能电池的填充因子FF：
其中：Voc是开路电压；Isc是短路电流；Pmax为最大的光电输出功率。
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-
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN202453462U (zh) * | 2012-02-01 | 2012-09-26 | 杭州大华仪器制造有限公司 | 多功能太阳能电池综合特性测试装置 |
| CN102736010A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-10-17 | 中山大学 | 一种室内宽光谱大视场角聚光光伏太阳电池测试装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 翟涵等: "温度对单晶硅电池光电转换效率的影响", 《硅酸盐学报》 * |
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