一種太陽能光伏電池電氣性能的測試

2020-12-01 電子產品世界

太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)用於把太陽的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以矽為基底的矽太陽能電池，可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶矽和多晶矽電池優於非晶矽電池。多晶矽比單晶矽轉換效率低，但價格更便宜。按照應用需求，太陽能電池經過一定的組合，達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。根據光伏電站大小和規模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。光伏組件，採用高效率單晶矽或多晶矽光伏電池、高透光率鋼化玻璃、Tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進的真空層壓工藝及脈衝焊接工藝製造。即使在最嚴酷的環境中也能保證長的使用壽命。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176578.htm

PV:photovoltaic縮寫，指利用太陽能發電，光伏行業。光伏發電是太陽能發電技術的一種， 是根據光生伏打效應原理產生的電能，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是獨立使用還是併網發電，光伏發電系統主要由太陽電池板(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成，不涉及機械部件，所以，光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。理論上講，光伏發電技術可以用於任何需要電源的場合，上至太空飛行器，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，光伏發電產品主要用於三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣大無電地區居民生活生產提供電力，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電池採用各種吸光材料製作，包括結晶和非晶矽，碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒化物(CIGS)材料製成的薄膜，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並聯一個二極體。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高於電池材料的能帶，那麼電子就被激發到導帶中。如果將一個外部負載連接到PV電池的輸出端，那麼就會產生電流。

PV電池/光子hυ/負載

圖1.由一個串聯電阻(RS)和一個分流電阻(rsh)和一個光碟機電流源構成的光伏電池等效電路。

由於電池襯底材料及其金屬導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電阻(RS)和分流電阻(rsh)表示這些損耗。串聯電阻是一個關鍵參數，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、雜誌濃度和結深有關。在理想情況下，串聯電阻應該為零。分流電阻表示由於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，分流電阻應該為無窮大。

要提取光伏電池的重要測試參數，需要進行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈衝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電池進行評測，I-V圖通常表示太陽能電池產生的電流與電壓的函數關係(如圖2所示)。電池能夠產生的最大功率(PMAX)出現在最大電流(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(例如數字源表或者源測量單元SMU)，生成這種I-V曲線圖。為了適應這類應用的需求，測試設備必須能夠在PV電池測量可用的量程範圍內提供電壓源並吸收電流，同時，提供分析功能以準確測量電流和電壓。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.對太陽能電池進行I-V曲線測量的典型系統，由一個電流源和一個伏特計組成。

測量系統應該支持四線測量模式。採用四線測量技術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儘可能近一些的地方。

圖4給出了利用SMU測出的一種被照射的矽太陽能電池的真實直流I-V曲線。由於SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，並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曲線中得出的數據表徵了它的總體效率--將光能轉換為電能的好快程度--可以用一些參數來定義，包括它的能量轉換效率、最大功率性能和填充因數。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。

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