【正文】 sity measurements。關(guān)鍵詞：太陽電池、測試設(shè)備、太陽光模擬器、數(shù)據(jù)采集、伏安特性、曲線擬合ABSTRACTIn the modern solar cell production, there are a large number of solar cells IV characteristics of the test problems. Wire test due to the general method, the measurement results will be affected because the voltage drop across the leads and not accurate. Therefore, this study used fourterminal method power load (is, fourwire measurement principle), to design a test according to the different parts, automatically adaptive, select a different program amplifier module to meet different levels of current and voltage measurements demand, accurate measurement of the parameters of the solar cell test systems.Solar testing system includes solar simulator, microcontroller based ATmegal6 data acquisition and control unit and PCbased host puter39。本設(shè)計(jì)可以解決各種太陽電池的參數(shù)測試問題，通過太陽電池測試系統(tǒng)得到的參數(shù)可以用來評價(jià)太陽電池性能優(yōu)劣。另外通過軟件設(shè)計(jì)能有效地實(shí)現(xiàn)太陽電池特性的測量，并對可能造成的誤差進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了方案的可行性。因此，本研究采用電源負(fù)載四端法（即四線制測量原理） ，設(shè)計(jì)一種能夠根據(jù)不同的被測件，自動實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，選擇不同的程序放大模塊，滿足不同等級的電流電壓測量的需求，準(zhǔn)確測量各個(gè)參數(shù)的太陽電池測試系統(tǒng)。畢 業(yè) 論 文太陽電池測試系統(tǒng)研究與分析摘 要在現(xiàn)代太陽電池生產(chǎn)中，存在著大量太陽電池伏安特性的測試問題。由于一般的二線制測試方法，測量結(jié)果會由于引線上的壓降影響而不準(zhǔn)確。太陽電池測試系統(tǒng)主要包括太陽光模擬器、基于ATmegal6單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制單元和基于PC上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理單元；它的工作過程為：采用脈沖氙燈太陽光模擬器作為光源，模擬器發(fā)出的光照到太陽電池上，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)RS232接口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與顯示，實(shí)現(xiàn)太陽電池電流、電壓，溫度和光強(qiáng)的測量；本論文研究的內(nèi)容主要包括：總體方案論證、光學(xué)系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究、軟件設(shè)計(jì)與誤差分析；其中選用了精密放大器AD620AN，兩端式的電流型集成溫度傳感器AD590，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理的核心部件是ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmegal6，以及TI公司的16位A／D轉(zhuǎn)換器ADS8341 和D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618等。此測量系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、分辨率高、自動選擇合適的測量范圍等特點(diǎn)，測量范圍為電壓：0~50V，電流：0~10A ，分辨率：電壓： 1mV 電流：1mA。完善太陽電池測試系統(tǒng)有利于研究電池特性，進(jìn)而改善電池性能，具有現(xiàn)實(shí)意義。s data processing unit。 The contents of this thesis include: overall program feasibility studies, the optical system, the data acquisition and processing system, software design and error analysis。s AVR family of microcontrollers ATmegal6, as well as TI39。隨著全球能源的需求量的逐年增加，對可再生能源的有效利用成為急待解決的問題。太陽能電池是一種可直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，所以它一直是世界各國作為新的清潔能源的主要研究的目標(biāo)之一。對太陽電池進(jìn)行測試和分類，有助于生產(chǎn)出高組合效率和低組合損失的太陽電池；能為用戶提供正確的技術(shù)參數(shù)，以達(dá)到改善負(fù)載匹配、選擇最佳工作狀態(tài)、充分發(fā)揮效益的目的。 太陽能電池的分類根據(jù)不同的方式可以對太陽能電池進(jìn)行相應(yīng)分類：根據(jù)所用材料來區(qū)分，太陽能電池可以分為：硅基太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、有機(jī)太陽能電池以及染料敏化太陽能電池?；衔锉∧ぬ柲茈姵匕ㄉ榛墷螈趸衔锾柲茈姵?、硒化鎘太陽能電池和銅銦硒太陽能電池等等。從利用技術(shù)的成熟度來區(qū)分，太陽能電池可以分為 [2]： 第一代太陽能電池：晶體硅太陽能電池。第三代太陽能電池又稱為高效太陽能電池。 太陽電池測試儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 太陽電池測試設(shè)備在國外已得到廣泛應(yīng)用，各大太陽電池生產(chǎn)廠家都有系列化產(chǎn)品。下面從三方面來敘述國內(nèi)外的研究狀況?？傮w上來說有穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器與脈沖太陽光模擬器。開始采用的是閃光燈光源，如歐洲空間研究和技術(shù)中心的衛(wèi)星服務(wù)部研制了一套太陽光模擬器，它有氙燈、濾光鏡、光傳感器、縮放操作桿、矯正棱鏡等組成。具體是將氙燈投出的光，通過濾鏡盤，濾鏡盤上安裝了不同波長的濾鏡。當(dāng)光線通過濾鏡盤后，形成了與太陽光光譜相近的光，通過矯正棱鏡，形成較均勻的模擬太陽光。 生產(chǎn)。該方法采用兩個(gè)氙燈與一個(gè)鎢燈作為BeamBeamBeam3 的光源，通過濾鏡形成高了三種波長的光線：UV、IR、VIS，經(jīng)過透鏡通過一定大小的孔后，合成為一束光束，在經(jīng)過一定大小的孔，通過透鏡形成均勻且具有與 太陽光相近光強(qiáng)的光束。到 80 年代，先后有北京太陽能研究所、北京有色金屬研究總院、西安交通大學(xué)、長春光機(jī)所、上?？萍即髮W(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津 1418 所、航天部上海 811 所等，自八十年代開始，寧波、開封、云南、秦皇島和深圳等太陽電池生產(chǎn)廠引進(jìn)了單體太陽能電池測試儀，但現(xiàn)在基本已老化。國內(nèi)太陽電池測試設(shè)備的研究開發(fā)經(jīng)歷了幾個(gè)階段，先是用穩(wěn)態(tài)光源太陽光模擬器，如碘鎢燈光源的測試設(shè)備，典型的有西安交大太陽電池研究室研制的 CCM2C 型太陽電池測試儀。1%左右。目前，上海交通大學(xué)已研制出用氙燈做光源的較為先進(jìn)的太陽電池測試設(shè)備，在 條件下能測試太陽電池。采用脈沖閃光燈作為太陽光模擬器的測試設(shè)備，閃光燈光源發(fā)出的光是冷光，其光譜特性十分接近日光，光源色溫為 5700K6000K。給測試設(shè)備配備不同閃光指數(shù)的閃光燈做脈沖光源，可方便的實(shí)現(xiàn)對太陽電池單體、組件及陣列的測量。如西安交大 87 年研制的 SGC2A 型太陽電池測試儀，即可單獨(dú)用于測量太陽電池單體、組件和陣列的電壓、電流，又可與 CCM2C 型測試臺聯(lián)機(jī)測量太陽電池組件和方陣的伏安特性曲線，并計(jì)算打印出各種參數(shù)。其關(guān)鍵測試部件是電子負(fù)載。美國專門生產(chǎn)太陽能設(shè)備的 SPIRE 公司，采用嵌位電壓式電子負(fù)載；日本的 amp。 曲線擬合軟件的最主要任務(wù)是根據(jù)測量得到的有限 I、V 點(diǎn)準(zhǔn)確地得到太陽電池的 IV 曲線問題。擬合結(jié)果表明該算法比直接采用序貫數(shù)論優(yōu)化算法(SNTO)具有更少的計(jì)算量，更高的收斂性。雙指數(shù)數(shù)學(xué)模型擬合精度較高，計(jì)算較容易，為擬合太陽電池的 IV 曲線提供了一個(gè)新的方法。數(shù)論的方法是一種較新的算法，它的擬合精度較高，而且它能將其余的太陽電池參數(shù):串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、光生電流、反向飽和電流等確定下來?！駵y試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)如下：電壓：0~50V，分 為0~10V，0~25V，0~50V三檔；電流：0~10A，分為 0~lA，0~5A ，0~10A三檔；分辨率：電壓：1mV電流：1mA(最小測試量程下)；輻照不均勻度：177?！駵y試系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計(jì)重點(diǎn)：選擇合理的光源；測試檔位的自動選擇；解決各種干擾問題；IV曲線擬合的精確性。通過太陽電池測試系統(tǒng)得到的參數(shù)可以用來評價(jià)太陽電池性能優(yōu)劣。 第二章 太陽電池測試原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽電池的基本原理太陽電池的基本原理與一般硅太陽電池的基本原理是相同的，也是直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電壓。由于從太陽電池表面到體內(nèi)入射光強(qiáng)度成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，從而產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。同理，從p區(qū)產(chǎn)生的光生電子到達(dá)PN結(jié)區(qū)p側(cè)邊界時(shí)，立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)。PN結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動勢。當(dāng)太陽電池的兩端接上負(fù)載， 這些分離的電荷就形成電流 [3,4]。根據(jù)電子學(xué)理論 [5]，PN 結(jié)的整流特性為： (21)0exp1DqvIAKT??????????????其中： 為PN結(jié)的電流(A)； 為二極管的反向飽和電流(A) ；q為電子的電荷DI0量(1． 6 C)；V為結(jié)電壓(太陽電池的輸出電壓 )，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)等于負(fù)載電910?壓(V)；A為二極管質(zhì)量因子，其值在l~ 2之間；K為波爾茲曼常數(shù) (1．38)；T 為絕對溫度 (K)。IVIVN P PNV V + +II s c（a）整流特性（暗特性） （b）明特性 圖 21 PN 結(jié)特性IV0I s cV o c 圖 22 太陽電池 IV 特性曲線 太陽電池的等效電路太陽電池與一般的硅太陽電池的等效電路原理是一致的，都可用二極管D、恒流源 、結(jié)電容 、串聯(lián)電阻 與并聯(lián)電阻 組成的電路來表示，當(dāng)LIjCSRsh太陽電池接上負(fù)載并接受光照時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載 ，并在負(fù)載兩端建立起LR端電壓V [6]。顯然，恒流源 分流為二極管的正向電流 如公式（21）和旁路電流LI D，以及經(jīng)過串聯(lián)電阻 和負(fù)載 的電流。并且在大多數(shù)情況下，太陽電池的等效電路都不LR考慮結(jié)電容 的影響 [7]，在不考慮結(jié)電容的情況下，其直流簡化等效電路圖如jC23所示。顯然，由圖可得負(fù)SRshR載電流 [4]為： （2????0exp1ssLLDshL hqvIIRIIIAKT?????????????????2）其中： 為太陽電池的輸出電流； 為太陽電池輸出電壓； 為太陽電池在光I VLI照下產(chǎn)生的恒流電流； 為太陽電池反向飽和電流(暗電流)； 為單位電荷；ADI q為二極管曲線因子；K為普朗克常量；T為太陽電池PN結(jié)的絕對溫度； 為等SR效串聯(lián)電阻，其值在幾十毫歐～幾百毫歐之間； 為等效并聯(lián)電阻，其值在幾shR百歐～幾千歐； 為負(fù)載電阻。C?當(dāng)負(fù)載 從0變化到無窮的時(shí)候，就可以根據(jù)上式畫出太陽電池的負(fù)載特LR性曲線，即伏安特性曲線。若改變負(fù)載電阻 到達(dá)某一個(gè)特定值 ，此時(shí)曲線上得到一個(gè)點(diǎn)mRM，對應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大( )，我們就稱這點(diǎn)M為該VIP??薄膜太陽電池的最大功率點(diǎn)。mRmPIV0I s cV o cAMI mV m1 / R m圖24太陽電池負(fù)載特性曲線由式(21)可以得到太陽電池的暗電流 。高電壓時(shí)， 主要由電中型區(qū)的注入電流決定；低DI電壓時(shí)， 主要由空間電荷區(qū)的復(fù)合電流決定。這就是雙指數(shù)太陽電池電路模型，如圖 25 所示 I LI s hR LR sD 1D 2I D 1II D 2R s hV 圖25 太陽電池雙指數(shù)電路模型根據(jù)電路模型可以得到以下函數(shù)關(guān)系： (24)SHTSDKDL RIVKAIITAIRVI ??????????????????????????????? 1exp1exp22131式中： 和 是電中性區(qū)的反向飽和電流和曲線因子； 和 是空間電荷區(qū)1 2DIA的反向飽和電流和曲線因子。同時(shí)它也為 IV 的曲線擬合提供了更精確的數(shù)據(jù)模型。顯然，從以上的定義可以得出參數(shù)間有以下的簡單關(guān)系： （2maxmPIV??5） （2ax10%scoFI6） （2max 10%mscoFinininPVFIVEP?????7）其中 為入射到太陽電池上的總功率。 太陽電池伏安特性曲線測量原理伏安特性是太陽電池最主要的特性，能直接反映出太陽電池的輸出功率。 伏安特性的一般測量方法伏安特性的一般測量采用的是二線制測試法，如圖26示。在測試線路中，將測試導(dǎo)線電阻與各種其它電阻（如接地電阻等）抽象成一個(gè)總的電阻，即兩線的電阻分別為圖中的 與 。LR連續(xù)調(diào)節(jié)可變電阻 的阻值，并對其電壓、電流進(jìn)行測量，即可繪出其伏安特性曲線。電壓表的讀數(shù)U等于太陽電池輸出電壓 減去電阻 、outU1R的壓降，即如公式(28) ，當(dāng)