CN203800887U

CN203800887U - 光伏器件多光强伏安特性测试***

Info

Publication number: CN203800887U
Application number: CN201320772435.9U
Authority: CN
Inventors: 王鸣魁; 袁怀亮; 徐晓宝
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2023-11-28

Abstract

本实用新型公开了一种光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，包括太阳光模拟器、光强选择模块、测试标定模块和控制计算模块；光强选择模块包括转盘，转盘为周向均匀布有多个通光孔的圆盘结构，通过转动转盘，能分别使这些通光孔的中心与太阳光模拟器的输出光路中心重合；测试标定模块包括移动平台、测试电路和标定电路，移动平台用于放置标定电池和样品电池，通过移动移动平台，能分别使标定电池和样品电池位于转盘的输出光路中心，测试电路和标定电路分别连接控制计算模块。该测试***在不改变光源设置的情况下，实现对光强的自动化精确控制，且保证光谱分布不变，方便快捷，能有效延长光源的使用寿命，且样品测试精度高。

Description

光伏器件多光强伏安特性测试***

技术领域

本实用新型属于光电测试技术领域，更具体地，涉及一种光伏器件多光强伏安特性测试***。

背景技术

伴随人口和经济的增长，全球能源消耗也急剧上升，预计到2050年，地球人口将达到120亿，全球能量消耗总量达28TW。同时随着石油等不可再生能源的不断消耗，届时将出现巨大的能源缺口。因此，发展清洁可再生能源成为时代的需求，太阳能电池的发展也应运而生，并不断发展。

随着经济的不断发展，市场对技术等需求愈加严格，现市场应用最广泛的硅基半导体太阳能电池以及薄膜太阳能电池高成本、低效益以及环境污染等缺点日益显著。而材料价格低廉，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，无污染无毒害的以染料敏化太阳能电池为代表的第三代太阳能电池技术备受关注。与传统的硅基和薄膜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，能够在弱光条件下工作，也是目前太阳能电池领域中唯一可实现透明的装置，这也是该类型电池作为新能源应用方面的一个显著优势。

在对染料敏化太阳能电池等光伏器件的研究过程中，精确地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（V_oc）、短路电流（I_sc）、填充因子（FF）、最大输出功率（P_max）、转换效率（η）等，特别是测量不同入射光强度条件下的器件伏安特性，能够更直观地表征电池器件的性能。因此研究光伏器件多光强测试方法和***对研究及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Oriel I-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、配套软件等。尽管该***数据测试精确，但是光照强度的标定必须采用全人工操作的方式，同时在标定和测试时，不能保证标定电池及样品电池都处于光源中心完全一致的位置，从而引入一定的测量误差。此外，若要测试光伏器件在不同光照强度下的伏安特性，需要用人工操作的方式设定光照强度，大范围地调节光源的驱动功率，这极大地增加了整个测试的复杂性。同时大范围地调节光源驱动的输出功率将会加速光源的衰退，造成光源的输出不稳定，极大地缩短了光源的使用寿命。因此可认为该仪器只能测试太阳能电池在标准光强下的伏安特性。现有的光伏器件测试***或者装置也存在相同的问题。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种光伏器件多光强伏安特性测试***，在不改变光源设置的情况下，实现对光强的自动化精确控制，且保证光谱分布不变，方便快捷，能有效延长光源的使用寿命，样品测试精度高，还能测试不同温度下样品电池的特性参数，为进一步研究温度对光伏器件工作特性的影响提供依据。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，包括太阳光模拟器、光强选择模块、测试标定模块和控制计算模块；所述光强选择模块包括转盘，所述转盘为周向均匀布有多个通光孔的圆盘结构，通过转动所述转盘，能分别使这些通光孔的中心与所述太阳光模拟器的输出光路中心重合；所述测试标定模块包括移动平台、测试电路和标定电路，所述移动平台用于放置标定电池和样品电池，通过移动所述移动平台，能分别使标定电池和样品电池位于所述转盘的输出光路中心，所述测试电路和所述标定电路分别连接所述控制计算模块。

优选地，所述通光孔中一个用黑色隔板全封，透光率为0，另一个为通孔，透光率为100%，其它通光孔内分别布置不同目数的丝网。

优选地，所述转盘的直径为400nm，所述通光孔的直径均为70mm。

优选地，所述太阳光模拟器包括氙灯、聚光器和滤波片，所述聚光器位于所述氙灯的正前方，其中心与所述氙灯的中心水平，所述滤波片位于所述聚光器的输出光路上。

优选地，所述光强选择模块还包括步进电机，所述控制计算模块分别通过氙灯电源连接所述氙灯，通过电机驱动与电源装置连接所述步进电机，通过平台驱动与电源装置连接所述移动平台。

优选地，还包括温控模块。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）在不改变光源设置的情况下，通过转盘实现对光强的自动化精确控制，且保证光谱分布不变，方便快捷，能有效延长光源的使用寿命，节约成本。

（2）将标定电池与样品电池置于移动平台上，通过移动平台移动，使标定电池与样品电池分别位于光路中心，保证了光源标定与样品测试的一致性，标定准确，样品测试精度高。

（3）采用温控模块实时测量样品电池温度，有效消除光照使样品电池温度变化对测试的影响，提高测试精度，还能测试不同温度下样品电池的特性参数，为进一步研究温度对光伏器件工作特性的影响提供依据。

附图说明

图1是本实用新型实施例的光伏器件多光强伏安特性测试***结构示意图；

图2是本实用新型实施例的转盘结构示意图；

图3是本实用新型实施例的光强选择模块中不同通光孔的透射率分布；

图4是用本实用新型实施例的光伏器件多光强伏安特性测试***测得的钌染料敏化太阳电池在不同光强下的伏安特性曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-氙灯，2-聚光器，3-滤波片，4-氙灯电源，5-转盘，6-步进电机，7-电机驱动与电源装置，8-移动平台，9-载物台基座，10-平台驱动与电源装置，11-标定电池，12-样品电池，13-测试电路，14-标定电路，15-温控模块，16-控制计算模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实施例的光伏器件多光强伏安特性测试***包括太阳光模拟器、光强选择模块、测试标定模块、温控模块15和控制计算模块16。

太阳光模拟器包括氙灯1、聚光器2和滤波片3。聚光器2位于氙灯1的正前方，其中心与氙灯1的中心水平，用于使氙灯1的输出光的平行性更好。滤波片3位于聚光器2的输出光路上，用于滤除入射光中的非太阳光成分，输出标准模拟太阳光。

光强选择模块包括转盘5和步进电机6，转盘5为周向均匀布有多个通光孔的圆盘结构，通过转动转盘5，能分别使这些通光孔的中心与滤波片3的输出光路中心重合。

测试标定模块包括移动平台8、测试电路13和标定电路14。移动平台8上的载物台基座9上放有标定电池11和样品电池12，通过移动移动平台8，能分别使标定电池11和样品电池12位于转盘5的输出光路中心。测试电路13和标定电路14分别连接控制计算模块16。

控制计算模块16分别通过氙灯电源4连接氙灯1，通过电机驱动与电源装置7连接步进电机6，通过平台驱动与电源装置10连接移动平台8。控制计算模块16用于通过调节氙灯电源4的输出功率来调节氙灯1的发光功率，控制计算模块16还用于通过控制电机驱动与电源装置7使步进电机6工作，调整转盘5的位置，控制计算模块16还用于通过控制平台驱动与电源装置10，调整移动平台8的位置。

本实用新型实施例的光伏器件多光强伏安特性测试***还包括温控模块15，温控模块15的温度传感器位于载物台基座9上，测试时与样品电池12的表面接触，用于实时测量样品电池温度。

图2为本发明实施例的转盘结构示意图。如图2所示，转盘5的直径为400nm，周向均匀布有八个直径为70mm的通光孔。其中一个通光孔用黑色隔板全封，透光率为0，该通光孔的中心与滤波片3的输出光路中心重合时，转盘5的位置为默认位置。另一个通光孔为通孔，透光率为100%。其它六个通光孔内分别布置不同目数的钢网，透射率分别为75%、50%、25%、20%、10%和5%。利用紫外可见近红外分光光度计分析光强选择模块的工作特性，如图3所示，将20目、80目和200目钢网对应不同波长的透射率与通孔比较，三种钢网的透射率分别为74%、50%、24%，他们在200nm至1200nm范围内的透射率近似为直线。因此，可以通过在这六个通光孔内布置不同的钢网，获得不同的测试光强度，且不改变测试光的光谱分布。

下面详细说明用本实用新型实施例的测试***测试光伏器件伏安特性的方法，具体包括如下步骤：

（1）初始化：开启各设备电源，使氙灯1工作，并使设备预热，初始化控制计算模块16内的测试参数设置，如测试光强（例如50%），测试扫描电压范围（例如-0.3～0.8V），测试扫描速率（例如0.01V/s）等；

（2）标定：开始测试，控制计算模块16根据初始化参数设置，控制电机驱动与电源装置7使步进电机6工作，步进电机6转动一定角度，使转盘5上与初始化的测试光强对应的通光孔的中心与滤波片3的输出光路中心重合。同时，控制计算模块16控制平台驱动与电源装置10，使移动平台8移动，从而使标定电池11位于转盘5的输出光路中心。标定电路14测试标定电池的短路电流，参照标定电池11的光强-电流曲线，得到此时的光强。

（3）测试：控制计算模块16控制平台驱动与电源装置10，使移动平台8移动，从而使样品电池12位于转盘5的输出光路中心。测试电路13按照控制计算模块16内初始化的参数设置，在样品电池12两端加载扫描电压，同时测试对应的电流，并将数据存储在测试电路13内的缓存器中。

（4）数据处理计算：控制计算模块16读取缓存器中的数据，计算得到待测光伏器件的伏安特性参数，如短路电流、开路电压、填充因子、光电转换效率等。控制计算模块16控制电机驱动与电源装置7，使步进电机6转动一定角度，从而使转盘5回到默认位置。

若要完成其它光照强度下的测试，只需改变步骤（1）中的初始化的测试光强。用本实用新型实施例的光伏器件多光强伏安特性测试***测得的钌染料敏化太阳电池（面积为0.072cm²）在不同光强下的伏安特性曲线如图4所示，测试结束后，控制计算模块根据测试曲线计算相应的特性参数，如开路电压（V_oc）、短路电流密度（J_sc）、填充因子（FF），最大功率（P_max）以及转换效率（η）等，如表1所示。

表1 钌染料敏化太阳电池在不同光强下的特性参数

光强（%）	Voc（V）	Jsc（mA/cm²）	Pmax（mW）	FF	η（%）
						96.635	0.74252	-10.692	0.38934	0.70058	5.7558
43.525	0.70279	-4.7748	0.16658	0.70922	5.4679
						24.718	0.70957	-3.9697	0.13269	0.6731	7.6706

本实用新型提供的测试***可精确测试染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池和钙钛矿薄膜太阳能电池等第三代太阳能电池在不同光强下的伏安特性，得到相应的伏安特性曲线以及特性参数。

具体地，氙灯1与氙灯电源4采用Newport公司生产的6258型氙灯及相应电源。标定电池11为Newport公司生产的标准电池，其输出的短路电流与入射光强呈线性关系，因此可根据其输出短路电流精确标定入射光强。标定电路14的主体为优利德科技有限公司的可编辑通信的UT71E万用表，可通过测试标定电池11的短路电流完成光强的标定。测试电路13的主体采用美国keithley公司生产的keithley2400型数字源表，为样品电池12提供不同的偏压，并测试在光照下对应的电流。温控模块15主体采用衡欣科技的热电偶温度计，可实时测试显示样品电池温度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，包括太阳光模拟器、光强选择模块、测试标定模块和控制计算模块(16)；

所述光强选择模块包括转盘(5)，所述转盘(5)为周向均匀布有多个通光孔的圆盘结构，所述通光孔中一个用黑色隔板全封，透光率为0，另一个为通孔，透光率为100％，其它通光孔内分别布置不同目数的丝网，通过转动所述转盘(5)，能分别使这些通光孔的中心与所述太阳光模拟器的输出光路中心重合；

所述测试标定模块包括移动平台(8)、测试电路(13)和标定电路(14)，所述移动平台(8)用于放置标定电池和样品电池，通过移动所述移动平台(8)，能分别使标定电池和样品电池位于所述转盘(5)的输出光路中心，所述测试电路(13)和所述标定电路(14)分别连接所述控制计算模块(16)。

2.如权利要求1所述的光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，所述转盘(5)的直径为400nm，所述通光孔的直径均为70mm。

3.如权利要求1或2所述的光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，所述太阳光模拟器包括氙灯(1)、聚光器(2)和滤波片(3)，所述聚光器(2)位于所述氙灯(1)的正前方，其中心与所述氙灯(1)的中心水平，所述滤波片(3)位于所述聚光器(2)的输出光路上。

4.如权利要求3所述的光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，所述光强选择模块还包括步进电机(6)，所述控制计算模块(16)分别通过氙灯电源(4)连接所述氙灯(1)，通过电机驱动与电源装置(7)连接所述步进电机(6)，通过平台驱动与电源装置(10)连接所述移动平台(8)。

5.如权利要求1所述的光伏器件多光强伏安特性测试***，其特征在于，还包括温控模块(15)。