一種太陽能光伏電池電氣性能的測試

太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低，但價格更便宜。按照應(yīng)用需求，太陽能電池經(jīng)過一定的組合，達(dá)到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池，叫光伏組件。根據(jù)光伏電站大小和規(guī)模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。光伏組件，采用高效率單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、Tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進(jìn)的真空層壓工藝及脈沖焊接工藝制造。即使在最嚴(yán)酷的環(huán)境中也能保證長的使用壽命。

PV:photovoltaic縮寫，指利用太陽能發(fā)電，光伏行業(yè)。光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電技術(shù)的一種， 是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理產(chǎn)生的電能，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源等，另外，還包括一些移動電源和備用電源;二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具等

PV電池采用各種吸光材料制作，包括結(jié)晶和非晶硅，碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒化物(CIGS)材料制成的薄膜，以及有機/聚合物類的材料。

PV電池的等效電路模型(如圖1所示)能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想PV電池的模型可以表示為一個感光電流源并聯(lián)一個二極管。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高于電池材料的能帶，那么電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中。如果將一個外部負(fù)載連接到PV電池的輸出端，那么就會產(chǎn)生電流。

PV電池/光子hυ/負(fù)載

圖1.由一個串聯(lián)電阻(RS)和一個分流電阻(rsh)和一個光驅(qū)電流源構(gòu)成的光伏電池等效電路。

由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點中存在材料缺陷和歐姆損耗，PV電池模型必須分別用串聯(lián)電阻(RS)和分流電阻(rsh)表示這些損耗。串聯(lián)電阻是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為它限制了PV電池的最大可用功率(PMAX)和短路電流(ISC)。

PV電池的串聯(lián)電阻(rs)與電池上的金屬觸點電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜志濃度和結(jié)深有關(guān)。在理想情況下，串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。分流電阻表示由于沿電池邊緣的表面漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下，分流電阻應(yīng)該為無窮大。

要提取光伏電池的重要測試參數(shù)，需要進(jìn)行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V.

直流電流-電壓(I-V)測量(提供V測量I)

可以利用直流I-V曲線圖對PV電池進(jìn)行評測，I-V圖通常表示太陽能電池產(chǎn)生的電流與電壓的函數(shù)關(guān)系(如圖2所示)。電池能夠產(chǎn)生的最大功率(PMAX)出現(xiàn)在最大電流(IMAX)和電壓(VMAX)點，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具(例如安培計和電壓源)，或者集成了電源和測量功能的儀器(例如數(shù)字源表或者源測量單元SMU)，生成這種I-V曲線圖。為了適應(yīng)這類應(yīng)用的需求，測試設(shè)備必須能夠在PV電池測量可用的量程范圍內(nèi)提供電壓源并吸收電流，同時，提供分析功能以準(zhǔn)確測量電流和電壓。簡化的測量配置如圖2所示。

電池電流(mA)/最大功率面積/電池電壓

圖2.該曲線給出了PV電池的典型正偏特性，其中最大功率(PMAX)出現(xiàn)在最大電流(IMAX)和最大電壓(VMAX)的交叉點。

太陽能電池

圖3.對太陽能電池進(jìn)行I-V曲線測量的典型系統(tǒng)，由一個電流源和一個伏特計組成。

測量系統(tǒng)應(yīng)該支持四線測量模式。采用四線測量技術(shù)能夠解決引線電阻影響測量精度的問題。例如，可以用其中一對測試引線提供電壓源，用另一對引線測量流過電池的電流。重要的是要把測試引線放在距離電池盡可能近一些的地方。

圖4給出了利用SMU測出的一種被照射的硅太陽能電池的真實直流I-V曲線。由于SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，并且支持器件析出功率。

圖4.正偏(被照射的)PV電池的這種典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。

其它一些可以從PV電池直流I-V曲線中得出的數(shù)據(jù)表征了它的總體效率--將光能轉(zhuǎn)換為電能的好快程度--可以用一些參數(shù)來定義，包括它的能量轉(zhuǎn)換效率、最大功率性能和填充因數(shù)。最大功率點是最大電池電流和電壓的乘積，這個位置的電池輸出功率是最大的。