【文章內(nèi)容簡介】 和組件測試設(shè)備均采用頻閃脈沖氙燈作為太陽光模擬器。為了解決脈沖氙燈光強(qiáng)不穩(wěn)定的問題，采用鉗位電壓式電子負(fù)載。其基本原理是在氙燈光強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)時刻鎖定被測電池的電流信號。用這種方法一次閃光只能測一組點(diǎn)。其采用脈沖氙燈系統(tǒng)作為太陽光模擬器，需要高速的數(shù)據(jù)采集板卡，硬件價格昂貴。同時由于脈沖氙燈光譜與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的失配，需要從軟件上實(shí)現(xiàn)其測得數(shù)值的修正復(fù)現(xiàn)。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3作為國家科技部“十五”高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863 計劃）項目，上海交通大學(xué)研制了 JDSFS06 單次閃光大面積太陽模擬器。該設(shè)備一次閃光能夠測試太陽電池的主要電參數(shù)，繪制 PV 和 IV 曲線。但是，該系統(tǒng)需用一個 、180kg 的脈沖電源柜，需要 220V、20A 供電，硬件成本昂貴。秦皇島博碩光電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 SPTⅡModule Tester 采用多級電感電容網(wǎng)絡(luò)控制的單次脈沖氙燈作為太陽模擬器，測試光源柜高達(dá) 2 米左右。總體而言，這些設(shè)備還無法用到自動生產(chǎn)線上，停留在單臺應(yīng)用的階段，其中一些測試設(shè)備的可靠性和性能指標(biāo)較差，并且功耗高、體積大和質(zhì)量重。就現(xiàn)狀而言，我國太陽電池及其組件自動生產(chǎn)線上使用的測試設(shè)備主要依賴進(jìn)口。 本課題的來源及所做工作在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是全球發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一，最近 10年，太陽電池產(chǎn)量年平均增長率為 37%，最近五年的年平均增長率為 45%。按世界各主要國家可再生能源發(fā)展計劃推算，2021 年以前光伏產(chǎn)業(yè)將持續(xù)以 30%以上的速度增長，2021 年～2040 年，光伏產(chǎn)業(yè)的復(fù)合增長率將高達(dá) 25%，可預(yù)見的高速增長將持續(xù) 40 年以上。研究、開發(fā)或制造太陽能電池的科學(xué)家及工程師需要各種測量、控制、分析及可視化工具來評估和驗(yàn)證太陽能電池技術(shù)。就研究開發(fā)而言，測試可以描述和優(yōu)化能量輸出，延長電池的使用壽命和耐久性；在設(shè)計方案的驗(yàn)證過程中，主要目標(biāo)是優(yōu)化設(shè)計，為批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備；在加工制造領(lǐng)域，將對 PN 結(jié)進(jìn)行檢查以保證其符合要求；在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)控電池的壽命和安全工作至關(guān)重要。可以看出，從太陽能電池的研究開發(fā)到方案驗(yàn)證，乃至生產(chǎn)和使用，都需要對太陽能電池的工作狀態(tài)進(jìn)行測試。太陽能電池的飛速發(fā)展使得針對太陽能電池的自動測試系統(tǒng)的要求激增。太陽能電池作為潔凈新能源在光伏領(lǐng)域已獲得良好的商業(yè)應(yīng)用和發(fā)展，但許多制約電池發(fā)展的影響因素尚不清楚如電光學(xué)特性等。太陽能電池 IV 特性曲線是衡量太陽能電池品質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù)，它給出了短路電流 ISC、開路電壓 VOC、光學(xué)轉(zhuǎn)換效率、電池內(nèi)阻、最大輸出功率點(diǎn)等豐富的物理信息，為改進(jìn)電池制備工藝和電學(xué)性能提供了重要的分析依據(jù)。對 IV 曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析的許多方法，如解析法、數(shù)論方法、從暗 IV 曲線中取得電池的特性參數(shù)等，已取得較深入的研究成果。國內(nèi)外在光電檢測，光電跟蹤等方面都已經(jīng)做了很多研究工作，但是如何測量太陽能電池并獲得準(zhǔn)確的 IV 特性曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)研究較少。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4太陽能電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展對太陽電池的測試技術(shù)提出了更高要求：測試速度快、測量面積大、測量自動化程度高等。適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化測量要求的同時，科研要求其能具有更高的測試精確度，并且要有相對于國外同類產(chǎn)品的價格優(yōu)勢。目前，太陽能電池測試系統(tǒng)的主要產(chǎn)品都是國外進(jìn)口的產(chǎn)品。國外公司在上世紀(jì)便開展了太陽能電池測試設(shè)備的研發(fā)工作，有一定的技術(shù)積累，形成了針對不同種類，不同功率太陽能電池的系列產(chǎn)品，技術(shù)相對成熟，但價格昂貴。國內(nèi)公司起步較晚，在太陽能電池測試設(shè)備的研究上則較為落后。因此，加緊開發(fā)太陽能電池測試系統(tǒng)迫在眉睫。本文主要做了以下幾方面工作：一、對太陽能光伏電池基礎(chǔ)理論做了研究，介紹了光伏電池的光伏效應(yīng)原理，太陽能電池的等效電路，輸出特性和相關(guān)的影響因素，光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類和應(yīng)用。二、對太陽能光伏電池的測試原理進(jìn)行介紹，包括太陽能電池測試的主要參數(shù)，太陽能電池伏安特性測試的幾種基本方法。三、進(jìn)行了太陽能光伏電池測試系統(tǒng)硬件裝置的設(shè)計，對該系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行了模塊劃分，進(jìn)而對其各自的功能和電路進(jìn)行了全面的分析與闡述。四、利用 DSP 控制器完成對光伏電池測試系統(tǒng)硬件電路和軟件電路的設(shè)計。在控制上采用 DSP 作為下位機(jī)，一方面對測試電路的工作模式進(jìn)行程控，另一方面通過與上位機(jī)進(jìn)行通訊，獲得測試電路運(yùn)行的工序步驟，同時將采集到的被測的太陽能電池的各項電參數(shù)傳回給上位機(jī)進(jìn)行顯示和儲存。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 52 太陽能光伏電池的原理和特性 光伏電池的光伏效應(yīng)原理光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。它的種類很多，可按照不同的方法進(jìn)行分類，如按照結(jié)構(gòu)的不同可分為同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基光伏電池、多結(jié)光伏電池和液結(jié)光伏電池。根據(jù)材料不同又可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池、有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池、薄膜光伏電池。其中常用的光伏電池是硅光伏電池，包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。單晶硅光伏電池是當(dāng)前開發(fā)最快的一種光伏電池，它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。目前多晶硅光伏電池使用的是多晶硅材料，多晶硅光伏電池的效率比一般的單晶硅要稍低，一般的光電轉(zhuǎn)換效率約為 12%左右。由于其材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。非晶硅光伏電池誕生于 1976 年，它與單晶硅和多晶硅光伏電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。非晶硅光伏電池具有較高的轉(zhuǎn)化效率、成本低和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，具有極大的市場潛力。時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子—電子和空穴。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運(yùn)動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢升高，N 區(qū)電勢降低，PN 結(jié)兩端形成光生電動勢，這就是 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自 N 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流，在 PN 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流 ISC。在 PN 結(jié)開路情況下，PN 結(jié)兩端建立起光生電勢 Voc，這就是開路電壓。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光伏電池的基本原理。如圖 21 所示： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6(a)平 衡 時(b)光 照 時圖 21 PN 結(jié) 光 伏 效 應(yīng) 原 理 圖總而言之，在光照條件下，只要具有足夠能量的光子進(jìn)入 PN 結(jié)，PN 結(jié)就能產(chǎn)生電子一空穴對。對于晶體硅太陽電池來說，太陽光譜中波長短的光線都可以產(chǎn)生光伏效應(yīng)。對于不同材料的太陽電池，盡管光譜范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn)換的原理是一致的。在 PN 結(jié)電場作用下，N 區(qū)的空穴向 P 區(qū)運(yùn)動，而 P 區(qū)的電子向 N 區(qū)運(yùn)動，最后太陽電池的受光面(上表面)有大量負(fù)電荷(電子)積累，而在電池（背表面)有大量正電荷(空穴)積累。如果在電池上、下表面做上金屬，用導(dǎo)線接上負(fù)載，在負(fù)載上就有電流通過。只要太陽電池光照不斷，負(fù)載上就一直有電流通過。 太陽能電池的等效電路太陽能電池實(shí)際上就是一個大面積平面二極管，在陽光照射下就可產(chǎn)生直流電。太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電路模型來說明，圖 22 中 I 為電池單元輸出電流；I L為 PN 結(jié)電流(A)；I。為二極管的反向飽和電流(A)。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7太陽光IOIVIL圖 22 太陽能電池的理想化等效電路模型這 種 器 件 的 理 想 IV 特 性 為 （21）1qvkTLOe????????其 中 ， q 為 電 子 電 量 ， k 為 波 爾 茲 曼 常 數(shù) ； T 為 絕 對 溫 度 。當(dāng) 開 路 時 ， I=0， 由 式 (11)得 到 開 路 電 壓 (open circuit voltage) （22）lnlLLOCMAXOOIITkVqq???????????????對于實(shí)際太陽能電池，影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素:一個是串聯(lián)電阻 RS，正面金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻和電極電阻三部分，另外一個是并聯(lián)電阻 Rsh，主要原因是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起光生電動勢使 PN 結(jié)正向偏置，因此存在一個流經(jīng)二極管的漏電流，該電流與光生電流的方向相反，會抵消部分光生電流，被稱為暗電流 IO。圖 23 是實(shí)際太陽能電池等效電路模型。其伏安特性可由（23）式給出。 （23）??1SqVRI SKTLOshRIIIe?????????????圖 23 實(shí)際太陽能電池等效電路 光伏電池的輸出特性光伏電池工作環(huán)境的外部影響因素很多，如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會對電池的性能指標(biāo)帶來影響，而且溫度的影響和光照強(qiáng)度的影響還常常同時存在。太 陽 光 IO IVIL RSRshI 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過 IV 和 PV 特性曲線來加以體現(xiàn)，而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系。 光譜響應(yīng)分析光伏電池的光譜響應(yīng)，通常是討論它的相對光譜響應(yīng)，其定義是，當(dāng)各種波長以一定等量的輻射光子束入射到光伏電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流相比較，按波長的分布求其比值變化曲線即為相對光譜響應(yīng)。而絕對光譜響應(yīng)指的是，當(dāng)各種波長的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到光伏電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分布求出對應(yīng)的短路電流變化曲線。對于不同波長的入射太陽光有不同波長光分量，硅型光伏電池有不同的靈敏度，能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的太陽輻射波長范圍一般在 ～ 左右的范圍內(nèi)，不論是波長小于 太陽光分量輻射，還是波長大于 的太陽光分量輻射，都不能使硅型光伏電池產(chǎn)生光生電流；而硅型光伏電池光譜響應(yīng)最大靈敏度在～ 之間。 光伏電池的 I V 和 PV 特性曲線光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的 PN 結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。對應(yīng)不同的光照強(qiáng)度時，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率 P，即 P=V?I。如圖 24 所示。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 900 . 20 . 4 0 . 60 . 80 . 20 . 40 . 60 . 80 . 90 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 0 0 m m / c m 178。8 0 m m / c m 178。6 0 m m / c m 178。P m a x端電壓電流輸出功率圖 24 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個最大功率輸出問題。在 PV 特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長，輸出功率先上升然后下降，說明存在一個端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟 IV 曲線說明了同一個問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。 光照強(qiáng)度對光伏電池輸出特性的影響光伏電池的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會隨著兩者的變化而變化。表 1 和圖 25 是在環(huán)境溫度為 25℃時上述測試系統(tǒng)所采用的光伏電池的最大輸出電壓和最大輸出電流受光強(qiáng)影響的程度。Intensity Vmpp Impp1000w/m2 0% 0%870 w/m2 0% 13%740w/m2 1% 25%610w/m2 1% 39%490w/m2 2% 51%360w/m2 4% 64%230w/m2 5% 77%100w/m2 10% 90% 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10表 1 光伏電池受光強(qiáng)影響的程度從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對數(shù)成正比。光強(qiáng)從 2001000W/m2開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時，所測量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時，開路電壓會直線下降，幾乎為零。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加。光伏電池隨光強(qiáng)變化的電池特性如圖 25 所示：00 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 71234