使用標(biāo)準(zhǔn)測試儀器測量太陽能電池的功率輸出

　　常用解決方案

　　目前，太陽能電池測試解決方案分為兩大類：成套系統(tǒng)和通用測試儀器。成套系統(tǒng)適用于驗(yàn)證和制造測試階段。這些系統(tǒng)可以確保測試的可重復(fù)性，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過編程，可對太陽能電池進(jìn)行一系列電池測試。

　　研究人員通常會(huì)使用半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中的通用測試儀器。他們使用半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀測量二極管器件特性，使用 LCR 測量計(jì)（電感電容電阻測量計(jì)）測量材料/器件的電感、電容和電阻。

　　在測試整個(gè)太陽能電池輸出功率時(shí)，許多研究實(shí)驗(yàn)室會(huì)使用低功率 4 象限電源（有時(shí)簡稱 SMU），該電源可以：

　　精確地供應(yīng)正和負(fù)電壓（供應(yīng)也稱施加）；

　　精確地供應(yīng)正和負(fù)電流（供應(yīng)負(fù)電流是將電流吸入電源的過程）；

　　精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱感知）。

　　4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠?yàn)楸粶y件提供的最大電流和功率較小。大部分精密型 4 象限電源只能供應(yīng) 3 A 或 20 W 的連續(xù)電力。這種最大電流和功率適合小型獨(dú)立電池測試，但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現(xiàn)了較大幅度的增長，電池功率輸出可能很快超過 4 象限電源的最大額定值。太陽能電池模塊通常能夠提供超過 50 W 甚至可以達(dá)到 300W 或以上的輸出，這意味著對其進(jìn)行測試將無法繼續(xù)使用 4 象限電源。

　　為此，工程師必須使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載、直流電源、數(shù)字萬用表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（包括溫度測量、掃描、開關(guān)和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等）構(gòu)成靈活的測試系統(tǒng)，才能在廣泛的工作范圍內(nèi)對這些太陽能電池模塊進(jìn)行測試，同時(shí)保證測量精度。例如，您可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掃描環(huán)境溫度、被測件溫度、校準(zhǔn)參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數(shù)。

　　戶外測試

　　部分工程師可能會(huì)使用配備了太陽仿真器的成套太陽能電池測試系統(tǒng)展開測試。太陽仿真器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源，可以控制照射太陽能電池的光能。但是當(dāng)太陽能電池或模塊過大時(shí)，太陽仿真器無法產(chǎn)生足夠的光能。例如，被測的太陽能電池模塊可能是大型戶外太陽能收集系統(tǒng)的一部分。此時(shí)，測試只能以太陽作為真實(shí)的物理光源。由于在戶外使用成套測試系統(tǒng)（無太陽仿真器）進(jìn)行測試是不現(xiàn)實(shí)的，工程師不得不放棄這種測試方法，而采用由標(biāo)準(zhǔn)測試儀器構(gòu)成的其他測試解決方案。

　　戶外測試還需考慮溫度因素。電池性能會(huì)受到溫度的影響，因此在測試時(shí)，有必要使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測。不僅電池性能會(huì)受到溫度的影響，測試設(shè)備同樣會(huì)受到溫度的影響。許多儀器廠商未指明測試設(shè)備在非室溫條件（25 ± 5 °C）下的技術(shù)指標(biāo)，而優(yōu)質(zhì)測試設(shè)備廠商會(huì)提供溫度系數(shù)技術(shù)指標(biāo)，以幫助調(diào)整測試儀器的精度指標(biāo)，從而修正在非指定溫度范圍下的操作。因此，為了在不可能控制溫度的戶外環(huán)境中正確使用測試儀器，您需要了解實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)溫度系數(shù)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以確保測試儀器的精度。

　　大功率測試的負(fù)載

　　對于大功率應(yīng)用，您可以使用標(biāo)準(zhǔn)電子負(fù)載進(jìn)行太陽能電池測試。由于習(xí)慣了使用成套系統(tǒng)或 4 象限電源，許多工程師在進(jìn)行太陽能電池測試時(shí)不會(huì)想到電子負(fù)載。鑒于太陽能電池可以產(chǎn)生能量，在使用 4 象限電源對其進(jìn)行測試時(shí)，電源的實(shí)際工作模式如下：太陽能電池對電源的端點(diǎn)施加了一個(gè)正電壓。同時(shí)，電流從太陽能電池流向 4 象限電源的端點(diǎn)，意味著 4 象限電源觀察到的是負(fù)電流（相對其端點(diǎn)）。此時(shí)也可以說是 4 象限電源在吸收電流。在電學(xué)上，對端點(diǎn)施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱為電子負(fù)載。因此，對大部分太陽能電池測試來說，如果有光線照在太陽能電池上，且電池正在產(chǎn)生電力，4 象限電源即作為電子負(fù)載使用。使用電子負(fù)載的優(yōu)勢在于它可以適應(yīng)所有的電流和功率：使用 50W 或更高（可達(dá)數(shù)千 W 和數(shù)百 A）的電子負(fù)載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。

　　電子負(fù)載可在恒壓（或 CV）模式下工作。恒壓模式下，負(fù)載將調(diào)整流經(jīng)自身的電流，以調(diào)節(jié)其端點(diǎn)的電壓，使其保持在一個(gè)恒定值。因此，恒壓模式可用于創(chuàng)建電壓掃描：使用負(fù)載控制太陽能電池輸出的電壓，然后測量生成的電流（如圖 2 所示）。部分負(fù)載（例如 Agilent N3300 系列）可以快速執(zhí)行 CV 定位點(diǎn)列表以掃描恒壓模式的輸出電壓，從而快速繪制 I-V 曲線。與此同時(shí)，負(fù)載可以將從太陽能電池流向負(fù)載的電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形（與捕獲示波器跡線類似）。通過繪制掃描控制的 CV 電壓和數(shù)字轉(zhuǎn)換的實(shí)際電流圖像，您可以創(chuàng)建 I-V 曲線。由于這一切可以作為快速掃描在短時(shí)間內(nèi)完成，整個(gè)測試可在大約一秒鐘的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現(xiàn)變化前完成。