太陽(yáng)能電池測(cè)試中電子負(fù)載應(yīng)用

太陽(yáng)能作為一種“取之不竭，用之不盡”的能源，具有普遍、安全、無(wú)害、巨大及長(zhǎng)久的特點(diǎn)，現(xiàn)在在人們的生活中得到廣泛的應(yīng)用，如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能照明等，而這些又需要到另外一種太陽(yáng)能產(chǎn)品——太陽(yáng)能電池，作為一種能把太陽(yáng)能從光能轉(zhuǎn)化為電能并予以保存的電力設(shè)備，與其他電池設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)和利用，且無(wú)須開(kāi)采和運(yùn)輸，可以太陽(yáng)能電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。
(2)利用太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電，不會(huì)像火力及水力發(fā)電，不會(huì)污染環(huán)境，也不會(huì)阻攔河流，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染及水資源稀缺越來(lái)越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的，而太陽(yáng)能電池則可有效地把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能予以保存下來(lái)。
(3)每年到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)能輻射約相當(dāng)于130萬(wàn)億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開(kāi)發(fā)的最大能源，這就給太陽(yáng)能電池提供了充足的能源動(dòng)力。
(4)根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是用之不竭的，可給太陽(yáng)能電池發(fā)展一個(gè)廣闊而長(zhǎng)遠(yuǎn)的空間。
太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)增加了對(duì)太陽(yáng)能電池測(cè)試和測(cè)量解決方案的需求，而且隨著太陽(yáng)能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測(cè)試需要運(yùn)用更大的電流和更高的功率水平，這就要求采用更加靈活的測(cè)試設(shè)備。
通常需要測(cè)量太陽(yáng)能電池的幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)主要是：
●開(kāi)路電壓。在電流等于0時(shí)的電池電壓。
●短路電流。當(dāng)負(fù)載電阻等于0時(shí)，從電池流出的電流。
●電池的最大功率輸出。電池輸出最大功率時(shí)的電壓值和電流值。
●電池的電壓值。
●電池的電流值。
● 電池串聯(lián)電阻。
● 電池旁路電阻（或并聯(lián)電阻）。
常見(jiàn)解決方案
現(xiàn)在，太陽(yáng)能電池測(cè)試解決方案主要有兩種形式：完整的交鑰匙系統(tǒng)和通用的測(cè)試儀器。
如果需要在太陽(yáng)能電池最大輸出功率時(shí)進(jìn)行測(cè)試，許多研究實(shí)驗(yàn)室都具備低功耗四象限電源（有時(shí)也稱為SMU），并具有以下功能：
● 提供精確的正電壓和負(fù)電壓（“提供”也可稱為“施加”）。
● 提供精確的正向和反向電流（提供反向電流也被稱為電流流入到電源中）。
● 精確地測(cè)量待測(cè)器件（DUT）的電壓和電流（測(cè)量也被稱為檢測(cè)）。
大多數(shù)高精度四象限電源都只能提供3A的電流或20W的連續(xù)功率。
在測(cè)試較小的單個(gè)電池時(shí)，這些最大電流和功率是可接受的，但是隨著電池技術(shù)向更高的效率、更大的電流密度和更大的電池尺寸推進(jìn)，電池的功率輸出將很快會(huì)超出這些四象限電源的最大額定值。太陽(yáng)能模組的輸出通常會(huì)超過(guò)50W，而且可能會(huì)爬升至300W或更高，這意味著許多針對(duì)模組的測(cè)試都無(wú)法使用四象限電源來(lái)完成。
在這些情況下，工程師應(yīng)當(dāng)借助于現(xiàn)成的電子負(fù)載、直流電源、DMM和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括溫度測(cè)量、掃描、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，以便在寬泛的操作范圍內(nèi)靈活地進(jìn)行獨(dú)特的測(cè)試，并且達(dá)到預(yù)期的測(cè)試精度。例如，可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)掃描環(huán)境和待測(cè)器件的溫度，已校準(zhǔn)的參考電池的電壓，以及在測(cè)試中需要捕獲的各種其他測(cè)試參數(shù)。
對(duì)于太陽(yáng)能電池的測(cè)試，一般標(biāo)準(zhǔn)的電子負(fù)載就可用于測(cè)試太陽(yáng)能電池。
考慮到太陽(yáng)能電池會(huì)產(chǎn)生能量，當(dāng)使用四象限電源對(duì)它進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式是：太陽(yáng)能電池在電源的端子上施加一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽(yáng)能電池流入四象限電源的端子，這意味著四象限電源看到的是反向電流（就其端子而言）。在這些條件下，也可以稱四象限電源是“電源沉”。
從電學(xué)上講，兩端加有正電壓并有電流流入（也就是反向電流）的儀器被稱為電子負(fù)載。因此，對(duì)于大多數(shù)有光照射并且太陽(yáng)能電池也產(chǎn)生能量的太陽(yáng)能電池測(cè)試而言，四象限電源實(shí)際上發(fā)揮著電子負(fù)載的作用。
使用電子負(fù)載的優(yōu)勢(shì)在于這種負(fù)載可用在各種電流和功率水平。使用額定50W或高達(dá)數(shù)千瓦特和數(shù)百安培的電子負(fù)載，可以輕松克服四象限電源帶來(lái)的3A，20W的限制。
電子負(fù)載可在恒壓、恒流、恒阻及恒功率模式下對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行工作。比如在恒壓模式下電子負(fù)載可以通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流，從而調(diào)整它兩端的電壓，以保持恒定的電壓值。因此，恒壓模式可用于創(chuàng)建電壓掃描，使用負(fù)載來(lái)控制太陽(yáng)能電池輸出端的電壓，然后測(cè)量產(chǎn)生的電流（如圖1所示）。


圖1
其他模式，電子負(fù)載亦可通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)自己的電流的工作，從而可以調(diào)整自己的電壓值或功率直（如下列圖2、圖3、圖4）。

圖2 圖3 圖4
有些負(fù)載（如費(fèi)思科技的FT6600A系列）可以快速地執(zhí)行一系列CV定位點(diǎn)，以便在CV模式下掃描輸出電壓，從而快速地描繪出I-V曲線。同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽(yáng)能電池流出到負(fù)載內(nèi)的電流波形數(shù)字化，類似于捕獲示波器曲線。
費(fèi)思FT6600A能夠?qū)μ?yáng)能電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試記錄計(jì)算，如電池的充放電測(cè)試記錄、內(nèi)阻計(jì)算、容量計(jì)算；電子負(fù)載有較強(qiáng)的程控功能和人機(jī)界面，通常具有彩色圖形顯示界面和GPIB接口。



圖5 FT6600A系列多通道可編程直流電子負(fù)載