太陽電池組件I-V特性曲線測試.ppt

1、太陽電池組件I-V特性曲線的測試,孔凡建 江蘇輝倫太陽能科技有限公司 南京 江蘇 210032,太陽電池組件的標(biāo)準(zhǔn)測試包括與標(biāo)準(zhǔn)測試條件相關(guān)的測量標(biāo)準(zhǔn)器、測量環(huán)境、測量設(shè)備和測量的操作過程等問題。 為了節(jié)省大家的時間，這里重點討論目前易于被混淆和忽視的一些問題。,太陽電池標(biāo)準(zhǔn)器的產(chǎn)生和作用,標(biāo)準(zhǔn)太陽電池是由絕對輻射計傳遞光能量計量單位 根據(jù)光能量計量專家的介紹： 通過國際比對產(chǎn)生的絕對輻射計計量光能量的不確定度是0.7%（U95）。 理論上絕對輻射計是無光譜選擇性的，太陽電池是有光譜選擇性的，所以不能直接將絕對輻射計的計量結(jié)果傳遞到太陽電池上面來。 制作標(biāo)準(zhǔn)太陽電池，需要通過一套復(fù)雜的光譜測量

2、儀器完成這個傳遞。由于傳遞技術(shù)的復(fù)雜性和不確定性，傳遞過程帶來了許多誤差，使得標(biāo)準(zhǔn)太陽電池對光能量測量的誤差超出了人們常規(guī)的想象。 國際比對獲得的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)偏差是1.9%（U95）。,PEP93（19931997）國際標(biāo)準(zhǔn)太陽電池比對活動，有8個國家的17個太陽電池測試實驗室參加，其中包括： 美國的NREL、 德國的PTB、 日本的JQA/ETL 中國的TIPS（天津電源研究所十八所）。 通過統(tǒng)計分析這些實驗室的測試結(jié)果，篩選掉了包含極大誤差的數(shù)據(jù)，最終上述四個實驗室測量數(shù)據(jù)被采用。其中： NREL與標(biāo)定值的平均偏差是0.3%， PTB與標(biāo)定值的平均偏差是1.1%， JQA/ETL與標(biāo)

3、定值的平均偏差是0.3%， TIPS與標(biāo)定值的平均偏差是+1.2%。 由這些實驗室送樣的參考太陽電池片作為太陽電池標(biāo)準(zhǔn)的原級被各個實驗室保存下來，并且在目前的標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程中使用。,這里應(yīng)該注意的是，所謂標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)定值，是在： AM1.5光譜分布、 1000W/m2光輻照度、 太陽電池溫度25 條件下的 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池輸出的短路電流值 代表在規(guī)定光譜條件對光源輸出的光輻照能量的計量。 而標(biāo)準(zhǔn)太陽電池/組件的傳遞過程，也是首先使用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的標(biāo)定值（短路電流）對光源的輻照度進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定的光源下測量傳遞值（短路電流）給被傳遞的工作標(biāo)準(zhǔn)太陽電池/組件。,組件的測試方法,從標(biāo)準(zhǔn)太陽電池到參考太

4、陽電池組件的對光能量計量值傳遞的過程與我們生產(chǎn)過程中測量太陽電池組件的過程是相似的，只是對與設(shè)備、環(huán)境和操作的要求更嚴(yán)格。 首先將被測量的太陽電池或者組件與標(biāo)準(zhǔn)太陽電池一同放置在恒溫25的實驗室內(nèi)。放置的時間一般根據(jù)被測量物品的質(zhì)量，也就是預(yù)計被測量物品達(dá)到25所需要的時間決定。為了工作的方便，組件一般要放置12小時以上。 作為參考太陽電池組件的傳遞，在標(biāo)準(zhǔn)測量條件下測量短路電流之后就已經(jīng)完成了。獲得IV特性曲線、開路電壓以及工作電流和電壓，在任何復(fù)現(xiàn)被傳遞的太陽電池組件的短路電流的輻照度下都可以實現(xiàn)。 因為： 對于任何一個太陽電池組件，在標(biāo)準(zhǔn)測量條件下，IV特性是不可改變的。,其中： - 修

5、正系數(shù) Is - 被測組件在AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度e0()下輸出的短路電流 It - 被測組件在模擬器的光譜輻照度et()下輸出的短路電流 e0() - AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度 et() - 太陽模擬器et的光譜輻照度 Q0() - 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的絕對光譜響應(yīng) Qt() - 被測組件的絕對光譜響應(yīng) 可以看出，如果et()=e0() ，=1；或者Q0()=Qt() ，=1。 實際上，這兩個愿望都是無法實現(xiàn)的，即使完全同材料同工藝制造的太陽電池的光譜響應(yīng)也不可能完全相同。 然而，進(jìn)行光譜修正是一個復(fù)雜的過程，在實際生產(chǎn)中幾乎不被采用。由此，就引入了光譜失配的誤差。,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試條件的要求，在不

6、符合AM1.5光譜條件的模擬器下測量組件，需要對光譜進(jìn)行修正。修正系數(shù)的公式如下：,同時，測量系統(tǒng)，在組件的測量過程中是指對組件的電壓值、電流值、組件溫度和對參考太陽電池的短路電流值進(jìn)行測量的設(shè)備，也存在系統(tǒng)誤差。這個誤差是大家最容易理解，也是光能量傳遞過程中所引入的各個誤差項中最簡單的，就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差。比如，12位數(shù)據(jù)采集器的滿量程誤差0.04%，參考電池和被測量組件的負(fù)載電阻的誤差都為0.5%，則在滿量程條件下短路電流測量值的測量系統(tǒng)誤差應(yīng)該有： 2(0.04%)2(0.5%)2)1/2 = 1.004% 如果測量系統(tǒng)的絕對誤差與測量范圍的關(guān)系是線性的，上式所表達(dá)的測量系統(tǒng)誤差是有

7、效的。 但是，并不是所有的測量系統(tǒng)都可以實現(xiàn)線性測量誤差的要求，有些測量系統(tǒng)的誤差絕對量是固定的。一個固定絕對誤差的測量系統(tǒng)，如果滿量程測量誤差是0.5%，半量程的測量誤差就是1%，1/4量程的測量誤差就是2%。而測量不可能在滿量程條件下完成，這就導(dǎo)致了非常嚴(yán)重的測量系統(tǒng)誤差。 所以對于測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，不僅僅要求滿量程的準(zhǔn)確度，還要求在不同測量值的準(zhǔn)確度，甚至不同溫度和測試頻率下的準(zhǔn)確度。,還需要考慮的誤差包括； 溫度測量的誤差，一般的溫度測量誤差為1； 太陽模擬器光輻照度均勻性誤差； 偶然性誤差：主要由操作人員的作業(yè)習(xí)慣決定；還包括組件實際溫度引入的誤差；對于閃光太陽模擬器，往往把光的不穩(wěn)定

8、性引入的測量誤差歸于偶然性誤差。 上述的誤差，實際屬于兩類，一類是屬于系統(tǒng)誤差或者是固定誤差，另一類屬于偶然性誤差或者隨機誤差?？偟臏y量誤差由所有誤差的幾何和來決定，并且偶然性誤差必須考慮置信區(qū)間。 德國TUV實驗室在傳遞標(biāo)準(zhǔn)值的過程中，對組件測量值給出了不同的誤差值： 峰值功率Pm的總不確定度3.5%（U95）； 短路電流Isc的總不確定度3%（U95）； 開路電壓Voc的總不確定度1%（U95）； 也就是說從原級標(biāo)準(zhǔn)太陽電池短路電流標(biāo)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差1.9%（U95）傳遞到工作參考太陽電池組件的短路電流，傳遞過程大約產(chǎn)生了2.32%的傳遞誤差。TUV也沒有針對每一個被測量的組件做專門的光譜修

9、正。 另一個必須澄清的概念是，這里給出的不確定度，也就是我們通常所說的誤差，是指：對于單次測量，測量值誤差小于總不確定度的概率是95%。也就是說，這個測量值的誤差有5%的概率超出了我們要求的誤差范圍。,太陽模擬器,測量組件的太陽模擬器的基本要求是： 光輻照度在8001200W/m2內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 在有效輻照面積內(nèi)的輻照不均勻度2； 輻照不穩(wěn)定度1； A級光譜分布。 檢驗輻照不均勻度的方法是，在測量區(qū)域內(nèi)： 其中Emax 代表該區(qū)域內(nèi)最大輻照度，Emin代表該區(qū)域內(nèi)最小輻照度。檢驗輻照不穩(wěn)定度的方法相同，僅僅是要固定在一個點上在規(guī)定的時間間隔內(nèi)測量。 太陽模擬器光輻照度的不均勻性，在組件I-V特性

10、曲線異常中的影響是明顯的，也可能產(chǎn)生比較大的測量誤差。例如，在一個A級太陽模擬器下測量某個組件，一些輸出功率低的太陽電池處于比較高的輻照度下，另一些輸出功率高的太陽電池處于比較低的輻照度下；而在另一個A級太陽模擬器下測量恰好相反，就可能產(chǎn)生最大8%的短路電流測量值的差別。這個問題可以通過對稱測量的方法發(fā)現(xiàn)并消除。,測量環(huán)境的影響,太陽電池的IV特性與溫度相關(guān)，所以，要達(dá)到太陽電池25測試條件的要求，就必須保證環(huán)境溫度為25，并且被測量組件需要長時間置放在恒溫環(huán)境中以保證太陽電池的溫度達(dá)到25。生產(chǎn)中使用的溫度測量系統(tǒng)，準(zhǔn)確度為1。如果使用功率校準(zhǔn)的方法，由此而產(chǎn)生的峰值功率測量系統(tǒng)誤差為： 2

11、10.45%/ = 0.9% 如果使用短路電流校準(zhǔn)方法，由此產(chǎn)生的短路電流測量系統(tǒng)誤差為： 210.06%/ = 0.12% 上述得到的誤差，是假設(shè)測試過程中被測量組件在恒溫測試室放置了足夠的時間，從而被測組件的溫度與恒溫實驗室溫度相同。實際上，由于恒溫實驗室本身溫度的不均勻性和實際生產(chǎn)中太陽電池組件無法在恒溫實驗室內(nèi)放置足夠的時間，測量環(huán)境溫度所引入的測量誤差要遠(yuǎn)大于上述的理論計算，并且是不穩(wěn)定的。這些干擾因素在許多個單次測量過程中會顯示出來，所以可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法作為隨機誤差處理。 環(huán)境雜散光的影響。室內(nèi)照度500LUX的條件下測量125電池片制作的太陽電池組件，其短路電流大約為5mA，

12、其影響大約是標(biāo)準(zhǔn)輻照度下太陽電池組件短路電流的0.1%，而且這個影響同時被參考太陽電池記錄并計算到總輻照度內(nèi)，所以室內(nèi)測量太陽電池組件，可以忽略雜散光的影響，也就是不用在黑暗條件下測量。,地面的反射是不可避免的。為了減少反射，往往在地面和四周的墻壁做減反射處理。清潔程度一般的水泥地面反射系數(shù)為15%；在水泥地面上刷黑色油漆的反射系數(shù)可以達(dá)到8%；黑色天鵝絨的反射系數(shù)是0.1%10%，根據(jù)絨的狀態(tài)變化；黑布的反射系數(shù)是4%。 反射光的影響之一是造成組件表面明顯的輻照度不均勻，組件靠近反射物體一側(cè)的太陽電池將接收更多的輻射能量。如果參考太陽電池位于相同一側(cè)，則參考太陽電池得到的輻照度要大于組件所接

13、受的平均輻照度；如果參考太陽電池位于另一側(cè)，則相反。這樣，太陽電池組件就不是在近似標(biāo)準(zhǔn)的光輻照度下被測量，而且往往引起I-V特性曲線產(chǎn)生臺階。 反射光的另一個影響是使光譜發(fā)生了改變，如同散射太陽模擬器一樣。在相同的輻照度下，光譜的改變相當(dāng)于光子密度的變化，而且改變了太陽電池內(nèi)部對光子的吸收的位置。這些改變，將引起太陽電池曲線因子的輕微改變。,某些情況下，環(huán)境反射光的影響是不可以忽略的，例如直射式太陽模擬器測量。下圖是直射式太陽模擬器水平擺放測量的示意圖。,測量系統(tǒng),這里所說的測量系統(tǒng)，不包括電子負(fù)載，測量的是所有轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫康男盘?，包括組件電壓、組件輸出電流在負(fù)載電阻上表現(xiàn)的電壓、參考電池輸出

14、短路電流在其自身安裝的精密電阻上表現(xiàn)的電壓、還有溫度傳感器將溫度量轉(zhuǎn)化為電壓量。測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和計算機。 測量系統(tǒng)的誤差依賴于數(shù)據(jù)采集器的位數(shù)。通常組件測量系統(tǒng)使用并行4通道12位分辨率數(shù)據(jù)采集器，理論上可以達(dá)到的滿量程系統(tǒng)誤差小于0.025%。所以測量系統(tǒng)誤差從來都不是組件測量誤差的主要來源。 測量系統(tǒng)應(yīng)該是經(jīng)過標(biāo)定的，就是在標(biāo)準(zhǔn)條件下使用不同量值的標(biāo)準(zhǔn)電位計校準(zhǔn)測量系統(tǒng)測量電壓量的準(zhǔn)確度，使得測量系統(tǒng)無論是在滿量程條件還是在其它量程下，測量值與標(biāo)準(zhǔn)電位計的標(biāo)定值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于給定值，并且生產(chǎn)商應(yīng)該給使用者提供這樣的標(biāo)定報告。組件生產(chǎn)商在測量組件的過程中可以僅通過對光源的輻照度進(jìn)行

15、標(biāo)定，也就是通過獲得標(biāo)準(zhǔn)組件短路電流，就完成了對組件測量系統(tǒng)的設(shè)定。不幸的是，我們目前使用的測量系統(tǒng)，大多數(shù)是沒有經(jīng)過標(biāo)定的。沒有經(jīng)過標(biāo)定的測量系統(tǒng)，就需要在測量組件的過程中對組件的開路電壓和短路電流都進(jìn)行修正，也就是所謂的功率“校準(zhǔn)”的方法。 測量系統(tǒng)往往使用500KHz以上的4通道并行數(shù)據(jù)采集器，在2mS的采集時間內(nèi)，可以采集4組各1000個以上的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在微觀上存在許多的波動。廠家在軟件設(shè)計上，首先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行光輻照度修正和溫度修正，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理。 如果使用數(shù)據(jù)擬合的方法，則完全破壞了數(shù)據(jù)的真實性，甚至有可能得出錯誤的結(jié)果。實際上，國際上某些性能優(yōu)異的組件測試系統(tǒng)，采集的

16、有效數(shù)據(jù)大約僅僅100個，并且不對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何平滑處理，卻保證了所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和有效。,電子負(fù)載,圖3給出了電子負(fù)載的原理圖。其中：E1和E2是兩個直流電源，并且E1的電壓必須大于所測量太陽電池的開路電壓；Rh是一個可變電阻；Rp是一個精密電阻，或者被稱為負(fù)載電阻。當(dāng)從下向上滑動可變電阻Rh，使得被測量的太陽電池從反向偏置狀態(tài)向正向偏置狀態(tài)變化，太陽電池逐漸從短路狀態(tài)向開路狀態(tài)變化，從而對太陽電池的I-V特性進(jìn)行掃描。,上圖是一個實際的電子負(fù)載電路圖。 如果開關(guān)SWITCH由斷到通，電容C1處于充電過程，太陽電池從開路向短路方向變化，被測量太陽電池處于放電狀態(tài)，測量的組件電壓要高于實際電壓，

17、測量的輸出功率要高于實際功率。 如果開關(guān)SWITCH由通到斷，電容C1處于放電過程，太陽電池從短路向開路方向變化，被測量太陽電池處于充電狀態(tài)，測量的組件電壓要低于實際電壓，測量的輸出功率要低于實際功率。 這個效應(yīng)在高速測量過程中，特別是使用肖特基三極管作為驅(qū)動晶體管Q，影響比較明顯。,電子負(fù)載的作用不是制造一個I-V特性曲線，而是將被測量組件所固有的I-V特性曲線表現(xiàn)出來。 電子負(fù)載的測量端使用四線制，是為了避免引入外部串聯(lián)電阻。 在組件兩端引入串聯(lián)電阻，因為組件輸出電流在這個電阻上產(chǎn)生電壓降，使得測量的組件輸出電壓比實際的組件輸出電壓低； 在負(fù)載電阻兩端引入串聯(lián)電阻，相當(dāng)于使負(fù)載電阻增加，使

18、得測量的組件輸出電流的值大于實際組件輸出電流的值。 無論是在組件兩端引入串聯(lián)電阻，還是在負(fù)載電阻兩端引入串聯(lián)電阻，都改變了組件的I-V特性。在所謂的功率校準(zhǔn)使用中，增加組件兩端的串聯(lián)電阻，就可以增加I-V特性的曲線因子；而增加負(fù)載電阻兩端的串聯(lián)電阻，就可以減少I-V特性的曲線因子。 在電子負(fù)載中，驅(qū)動晶體管Q的選擇是一項關(guān)鍵的技術(shù)。這個晶體管的輸出應(yīng)該具有大電流、高速、低阻抗和有源的特性。如果在這里選用肖特基三極管，實際是將三極管作為一個無源可變電阻使用，隨之帶來的問題是肖特基三極管漏源之間在某種條件下表現(xiàn)出來的阻抗的不穩(wěn)定性和阻抗對太陽電池PN結(jié)充電的影響。 為了克服電子負(fù)載自身產(chǎn)生的震蕩，廠家往往更容易在電子負(fù)載兩端引入串聯(lián)電阻，使得I-V特性曲線的曲線因子下降。,大家可以討論，下面這個測試圖有什么問題。,討 論,我們需要對一些概念進(jìn)行討論。 誤差：與此對應(yīng)的英文單詞應(yīng)該是“error”。泛泛地談?wù)撜`差，僅僅是要表示存在著過失，而不是明確過失的方式和大小。 容差：在組件的參數(shù)中更多地代表測量值與額定值之間的差別。例如額定為180W的組件，可能包括測量值為175W185W的組件功率范圍。與此對應(yīng)的英文單詞應(yīng)該是“Tolerance”。容差的大小，并不代表測量值的準(zhǔn)