選擇合適的太陽(yáng)能電池輸出功率測(cè)試系統(tǒng)

太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)增加了對(duì)太陽(yáng)能電池（及太陽(yáng)能模組）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)是：

● VOC——開路電壓。在電流等于0時(shí)的電池電壓。

● ISC——短路電流。當(dāng)負(fù)載電阻等于0時(shí)，從電池流出的電流。

● Pmax——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。I-V曲線（圖1）上的Pmax點(diǎn)通常被稱為最大功率點(diǎn)（MPP）。

圖1 這張?zhí)?yáng)能電池的I-V曲線顯示了Pmax及其與Imax和Vmax的關(guān)系

● Vmax——在Pmax點(diǎn)，電池的電壓值。

● Imax——在Pmax點(diǎn)，電池的電流值。

● η——器件的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)太陽(yáng)能電池連接到某個(gè)電路時(shí)，這個(gè)值等于被轉(zhuǎn)換的能量（從吸收的太陽(yáng)光到電能）與被采集的能量的百分比。這個(gè)值可以通過(guò)將Pmax除以輸入的光輻照度（E，單位是W/m2，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)量），再乘以太陽(yáng)能電池的表面積（AC, 單位是平方米）計(jì)算得到。

● 填充因子（FF）—Pmax除以VOC再乘上ISC 。

● 電池二極管屬性。

● 電池串聯(lián)電阻。

● 電池旁路電阻（或并聯(lián)電阻）。

常見解決方案
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)。

戶外測(cè)試
有些工程師會(huì)使用交鑰匙的太陽(yáng)能電池測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試，這種設(shè)備采用一種太陽(yáng)能模擬器，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化的光源，可用于控制進(jìn)入太陽(yáng)能電池的光能。不過(guò)，如果太陽(yáng)能電池或模組非常大，太陽(yáng)能模擬器將無(wú)法產(chǎn)生充足的光。

例如，被測(cè)的太陽(yáng)能模組可能是大型戶外太陽(yáng)能采集系統(tǒng)的一部分。在這種情況下，太陽(yáng)本身將是測(cè)試中唯一實(shí)際可用的光源。既然在戶外實(shí)際上不可能運(yùn)輸一套無(wú)太陽(yáng)能模擬器的完整的交鑰匙測(cè)試系統(tǒng)，所以這種測(cè)試就需要使用由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器改進(jìn)而成的某些其他測(cè)試解決方案來(lái)執(zhí)行。

戶外測(cè)試需要考慮的另一項(xiàng)因素是溫度。因?yàn)殡姵氐男阅軙?huì)受到溫度的影響，因此需要在測(cè)試中監(jiān)視溫度。不僅電池性能依賴于溫度，而且測(cè)試設(shè)備的性能也依賴于溫度。

許多儀器供應(yīng)商沒有指明他們的測(cè)試設(shè)備在溫度處于室溫附近極窄范圍（如25℃±5℃）之外時(shí)的性能。其他供應(yīng)商則提供了一項(xiàng)溫度系數(shù)規(guī)格，能夠調(diào)整測(cè)試設(shè)備的精度規(guī)范，以針對(duì)工作在其指定工作溫度范圍之外進(jìn)行校正。

適用于更高功率測(cè)試的負(fù)載
對(duì)于大功率應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)的電子負(fù)載可用于測(cè)試太陽(yáng)能電池。許多工程師不會(huì)想到使用電子負(fù)載來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池，因?yàn)樗麄兞?xí)慣于使用交鑰匙系統(tǒng)或四象限電源。

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)載可在恒壓模式下工作，也稱為CV模式。在CV模式下，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，CV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2所示）。

圖2 可以使用電子負(fù)載的CV模式來(lái)測(cè)量太陽(yáng)能電池的I-V曲線

有些負(fù)載（如Agilent N3300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。

通過(guò)畫出由掃描控制的CV電壓對(duì)數(shù)字化實(shí)際電流的圖形，就可以創(chuàng)建出I-V曲線。而且因?yàn)檫@是通過(guò)快速掃描得到的，所以整個(gè)測(cè)試可以在大約1秒內(nèi)完成，這時(shí)電池還不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈的光源而發(fā)熱并發(fā)生溫度變化。

但是，許多電子負(fù)載都具有低電壓工作極限，需要在負(fù)載的正負(fù)輸入端之間施加最小的工作電壓。常見電子負(fù)載的最小輸入電壓是2～3V。為了克服這個(gè)限制，可以為負(fù)載串聯(lián)一個(gè)直流電源（如圖3所示）。這個(gè)直流電源被稱為偏置電源，因?yàn)樗鼮樨?fù)載提供了一個(gè)偏置電壓。

圖3 可以使用直流偏置電源來(lái)配置電子負(fù)載，以便用于太陽(yáng)能電池測(cè)試

通常，偏置電源被設(shè)置為3V，以保證始終滿足負(fù)載的最低電壓需求。直流源的電壓對(duì)太陽(yáng)能電池沒有任何影響，后者是電壓浮動(dòng)器件；直流源僅僅是將太陽(yáng)能電池的電壓提高了3V。更多信息，請(qǐng)參考安捷倫科技公司提供的應(yīng)用指南《太陽(yáng)能電池及模組測(cè)試》（Solar Cell and Module Testing），出版號(hào)5990-3262EN。