序言

太陽能產(chǎn)業(yè)的成長增加了對太陽能電池（及太陽能模組）測試和測量解決方案的需求，而且隨著太陽能電池尺寸的增大和效率的提高，電池測試需要運(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試設(shè)備。

典型測量

測試較小的單個(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能模組的輸出通常會(huì)超過50W，而且可能會(huì)爬升至300W或更高，這意味著許多針對模組的測試都無法使用四象限電源來完成。

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)特的測試，并且達(dá)到預(yù)期的測試精度例如，可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來掃描環(huán)境和待測器件的溫度，已校準(zhǔn)的參考電池的電壓，以及在測試中需要捕獲的各種其他測試參數(shù)

太陽能電池測量通常包括以下關(guān)鍵參數(shù)。

開路電壓（Voc）――電流為零時(shí)的電池電壓。

短路電流（Isc）――負(fù)載電阻為零時(shí)的電池電流。

電池的最大功率輸出（Pmax）――電池產(chǎn)生最大功率時(shí)的電壓和電流點(diǎn)。I-V曲線上的Pmax點(diǎn)通常指最大功率點(diǎn)（MPP）。

Pmax電壓（Vmax）――Pmax時(shí)的電池電壓。

Pmax電流（Imax）――Pmax時(shí)的電池電流。

現(xiàn)在，太陽能電池測試解決方案主要有兩種形式：完整的交鑰匙系統(tǒng)和通用的測試儀器如果需要在太陽能電池最大輸出功率時(shí)進(jìn)行測試，許多研究實(shí)驗(yàn)室都具備低功耗四象限電源。

器件的轉(zhuǎn)換效率（η）――在太陽能電池連接至電路時(shí)，轉(zhuǎn)換（從光能轉(zhuǎn)換為電能）和收集的功率百分比。η的計(jì)算方法為：最大功率點(diǎn)Pmax除以標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下的輸入光輻照度（E，單位：W/m2）和太陽能電池表面積（Ac，單位：平方米）。

● 電池二極管性能

● 電池串聯(lián)電阻

● 電池并聯(lián)電阻

圖1：太陽能電池的電流電壓曲線圖

圖中文字中英對照：

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)3A或20W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。

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

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

例如，被測的太陽能模組可能是大型戶外太陽能采集系統(tǒng)的一部分在這種情況下，太陽本身將是測試中唯一實(shí)際可用的光源既然在戶外實(shí)際上不可能運(yùn)輸一套無太陽能模擬器的完整的交鑰匙測試系統(tǒng)，所以這種測試就需要使用由標(biāo)準(zhǔn)測試儀器改進(jìn)而成的某些其他測試解決方案來執(zhí)行戶外測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，因此需要在測試中監(jiān)視溫度不僅電池性能依賴于溫度，而且測試設(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)整測試設(shè)備的精度規(guī)范，以針對工作在其指定工作溫度范圍之外進(jìn)行校正。

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、20W電能的限制。

使用電子負(fù)載的優(yōu)勢在于這種負(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)載來控制太陽能電池輸出端的電壓，然后測量產(chǎn)生的電流。

有些負(fù)載（如M9700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

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。

圖2：使用CV模式下的電子負(fù)載測量I-V曲線

圖中文字中英對照：

使用V和I乘積確定最大功率

許多電子負(fù)載具有工作電壓下限，因?yàn)榇蟛糠蛛娮迂?fù)載以FET為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。要正確地傳導(dǎo)電流，F(xiàn)ET需要一個(gè)流經(jīng)FET的最小電壓，意味著負(fù)載的+和–輸入端點(diǎn)間有一個(gè)最小工作電壓。通常，電子負(fù)載的最小輸入電壓為2到3W。為電子負(fù)載串聯(lián)一個(gè)直流電源可以消除這個(gè)限制。參見圖3，用于為電子負(fù)載提供補(bǔ)償電壓的直流電源稱為補(bǔ)償電源。通常，補(bǔ)償電源設(shè)為3V，以確保滿足電子負(fù)載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會(huì)對太陽能電池產(chǎn)生影響。直流電源是一個(gè)浮置器件，最多會(huì)將太陽能電池偏置3V。

圖3：配置用于太陽能電池測試的電子負(fù)載和補(bǔ)償電源

圖中文字中英對照：

結(jié)論和更多信息

全球?qū)η鍧?、可再生能源的迫切需求正推?dòng)著太陽能電池技術(shù)高速發(fā)展。隨著太陽能電池尺寸的增加和效率的提升，電池測試可能會(huì)遇到更大的電流和功率，因此市場需要更靈活的測試設(shè)備。此時(shí)，成套解決方案可能無法滿足需求，工程師可以使用現(xiàn)有的電子負(fù)載來測試太陽能電池。如果配置和應(yīng)用適當(dāng)，電子負(fù)載可用于對太陽能電池或太陽能電池模塊輸出進(jìn)行所有與功率相關(guān)的測量。目前市場上的電子負(fù)載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測量精度。負(fù)載、數(shù)字萬用表和數(shù)據(jù)采集設(shè)備相結(jié)合，可以在成套系統(tǒng)靈活度不夠的情況下滿足您的測量需求。