太陽電池穩態雙通道I-V特性測試方法研究

郄毅鵬，董 莉，姚元鑫

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

太陽電池穩態雙通道I-V特性測試方法研究

郄毅鵬，董 莉，姚元鑫

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

通過分析太陽電池I-V特性的實驗室測試方法，研究一種適用于穩態光源下的雙通道I-V特性測試方法，在原有單通道四線制測試方法的基礎上增加另一個通道，用于參考電池的同步測試，在太陽電池進行I-V測試后，通過逐點修正的方法對測試數據進行處理，得出更為準確的I-V曲線。該方法可以有效減少穩態光源的不穩定性對測試造成的影響，提高測試系統的準確度和重復性。

太陽電池；雙通道I-V特性測試方法；穩態光源；太陽模擬器

在實驗室進行太陽電池I-V特性曲線的測試，需要模擬太陽電池最基本的工作環境——陽光光照，通常使用的設備是太陽模擬器。太陽模擬器按照其工作方式可分為穩態光源和瞬態光源兩種。穩態模擬器是以短弧氙燈作為光源，可以像照明燈一樣進行連續照射，光斑直徑一般在10～35 cm，適用于測試單體電池片，使用電子負載或數字源表測量其I-V特性。瞬態模擬器是以脈沖氙燈作為光源，以閃光模式發射光束，有效光照面積直徑一般在2～5 m，適用于太陽電池組件測試，在測試中必須使用配套的電子負載和參考電池進行I-V特性測量，并通過軟件對數據進行修正。

測試單體高效多結太陽電池需要使用AAA級穩態太陽模擬器，要求其輻照不均勻度、輻照不穩定度、光譜失配誤差分別達到A級指標。其中，A級不穩定度是≤±1%，可直接造成測試誤差1%。而且在實際使用過程中，模擬器會受一些因素影響(比如隨著氙燈的老化)，使其不穩定度會不斷的提高，超出±1%的A級指標，很可能造成更大的測試誤差。根據實際測量的數據發現，其測試誤差接近2%。而這種現象在瞬態光源測試中不會造成較大的影響。這是因為使用瞬態光源進行測試時，可以通過測試參考電池的sc達到監測光強的目的，并且通過軟件修正數據，使得它的相對不穩定度優于穩態光源。因此通過分析瞬態模擬器的工作模式，研究一種適用于穩態模擬器下的雙通道測試方法，用于提高穩態模擬器的穩定性和重復性。

1 雙通道測試原理

當測試溫度、輻照度和標準測試條件不一致時，可用式(1)、(2)校正到標準測試條件[1-2]。

在瞬態光源下測試太陽電池的I-V曲線，如圖1所示，瞬態光源下的雙通道測試的實測數據，利用上述的校正公式將數據處理后，可得到一條結果精確的I-V曲線，如圖2所示。

圖1 瞬態光源下的雙通道測試曲線

圖2 修正后得到的I-V曲線

效仿瞬態光源系統的測試方法，建立穩態光源下的雙通道I-V特性測試方法。在穩態雙通道測試模式下，其中一個通道(I-V通道)對被測電池進行I-V特性測試，測試的同時，另一通道(監測通道)同步測試參考電池的短路電流值，用于監測光源的波動，并對I-V通道測出的電流數據進行逐點修正，修正至標準光強下的電流。在I-V特性測試前，需要校準參考電池在標準狀態(或者所需狀態)下的短路電流值。

2 穩態雙通道測試方法的實現

要實現在穩態光源下的雙通道測試方法，需要考慮各種因素對測試的影響。這些因素包括數據采集的同步性、太陽電池所處的環境狀態以及光源的特性，其中環境狀態主要是指溫度對電池的影響。為了消除不利因素的影響，需要調整電測儀器和測試工裝。

2.1 電測儀器

目前，實驗室用于穩態模擬器測試太陽電池I-V特性所使用的電測儀器大多為數字源表，數字源表需要具有四線制、源測量及限流等基本功能，還應具備軟件控制和數據傳輸功能，便于后續數據處理。選擇具有雙通道測試的數字源表，兩個通道不僅具有上述功能，最重要的是具有同步源測量功能。本文所使用的是KEITHLEY2602B數字源表，它的雙通道同步性較好，兩個通道電壓掃描時間偏差僅為40 μs，而且這種數字源表的采樣時間是可調的。

2.2 測試工裝

測量太陽電池I-V特性所使用的測試工裝必須具備恒溫和吸附功能。

首先在測試過程中需要測試工裝對被測電池和監測電池同時進行恒溫。這是因為太陽電池的電壓和電流會隨著溫度變化發生改變，在穩態光源下照射，電池溫度變化較大，對測試結果產生很大影響，在以往使用的單通道測試方法中要求測試工裝控溫在(25±1)℃。在雙通道測試時，主要依靠參考電池的短路電流值修正測試結果，受溫度影響更為嚴重，所以控溫尤為重要。目前我們使用的測試工裝，在以往的實驗中驗證過其恒溫性能，在通入循環水過程中，能夠保證太陽電池在光照10 s內，其開路電壓的變化小于0.05%，滿足太陽電池測試需求。

其次，測試工裝能夠將被測電池和監測電池吸附在其表面。其作用有兩點：第一，對于背表面為一端電極的電池，能夠降低其接觸電阻，保證測試數據準確；第二，電池與測試工裝的吸附接觸有利于電池溫度的恒定，減小測試誤差。

另外，被測電池和監測電池吸附在測試工裝表面時，其間距控制不大于10 mm。在穩態模擬器的有效光照區域內，光強波動是不均勻的，這是由模擬器內部短弧氙燈的工作模式造成的。光強變化的不均勻對雙通道測試有一定的影響，會使工裝上的監測電池與被測電池所受光照的波動不能保持一致，使其不能準確監測光強的變化，通過減小被測電池與監測電池的間距(不大于10 mm)，可以有效消除這一影響，在這里不做詳細說明。

3 實驗驗證

3.1 雙通道測試方法有效性的驗證

圖3 修正前后曲線的平滑度對比圖

結果顯示，修正前I-V通道的電流波動為±1.98%，經過雙通道測試方法修正后的曲線波動為±0.26%。從而可以得出，利用雙通道源測試方法可以有效減少穩態光源波動對測試造成的影響。

3.2 數據重復性的驗證

利用穩態雙通道測試方法對一片電池進行連續I-V特性測試，共測試20次。利用式(3)計算電池的主要電性能參數的電測偏差，測試結果如表1所示。

從表1的測試結果可以看出，電池的各項電性能參數在修正后的偏差均小于±0.5%，與數據修正前相比，其電測重復性大大提高了。因此，利用雙通道測試方法減少了光源波動對測試造成的影響，優化了穩態模擬器的不穩定性。

表1 各項電性能數據修正前后的重復性偏差比對

4 結語

本文通過分析瞬態模擬器的工作模式，提出一種適用于穩態模擬器下的雙通道I-V特性測試方法。該方法在原有單通道四線制測試方法的基礎上增加另一個通道，用于參考電池的同步測試，在太陽電池進行I-V測試后，通過逐點修正的方法對測試數據進行處理，得出更為準確的I-V曲線，提高了測試系統的準確度和重復性。最后證實，利用該測試方法可以有效減少光源波動對測試造成的影響。

正是由于穩態雙通道I-V測試方法具有上述優勢，因此該方法主要用于工程上太陽電池片的性能篩選，由于其測試重復性的提高，可以大大降低電池片組合后的性能損失，間接地提高太陽電池板的性能，降低其生產成本。目前已將該測試方法用于太陽電池自動分檢系統，以解決光源瞬時不穩定性和短時間內不穩定性造成的影響。

[1]李國欣.航天器電源系統技術概論[M].北京：中國宇航出版社，2008.

[2]劉曉東，張寧，趙慧玲.電池標準匯編[M].北京：中國標準出版社，2003.

Study of solar cell dual-channel I-V characteristic test method based on steady light source

A solar cell dual-channel test method based on steady light source by analyzing the solar cell I-V characteristic laboratorial test method was proposed. On the basis of the original single channel four wire test method,another channel was added to use for reference cell synchronism test in this method.After test,the more accurate I-V curve was got through point by point correction method to deal with test data.The results show that this test method can effectively reduce the effects of steady light source instability of the test. The accuracy and repeatability of the test system were increased.

solar cell;dual-channel I-V characteristic test method;steady light source;solar simulator

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2155-02

2015-03-19

郄毅鵬(1980—)，男，山西省人，工程師，主要研究方向為太陽電池。