CN101694510A - 多结太阳电池的集成测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多结太阳电池的集成测试系统，包括集成且共用一个样品台的光谱响应测试单元和电流电压特性测试单元，其中该光谱响应测试单元包括按光路顺序设置的光源、单色仪、滤光片、斩波器、偏置光源，以及设置于样品台上且输出端连接到锁相放大器的至少两个标准探测器，且样品台连接一偏置电压；该电流电压特性测试单元包括模块化设计的太阳光模拟器、以及透过样品台连接到待测太阳电池和电源电表；所述锁相放大器和电源电表的输出端分别连接到测试计算机。本发明把多结太阳电池光谱响应和电流电压特性的测试系统进行集成，共用样品台并部分共用偏置光源，提高了测试系统的操作便利性，降低了成本，能够满足不同用户的测试要求。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用的光伏技术领域，尤其涉及一种针对多结太阳电池性能测试的系统设计。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益加剧，太阳能电池技术作为一种可持续、清洁的能源替代方式，引起了人们前所未有的关注。目前聚光多结GaAs基太阳电池一直保持着太阳能转换效率的最高纪录，2006年Spectrolab设计的(GaInP/GaInAs/Ge)三结太阳电池在聚光条件下创造了40.7％的纪录，这是一个历史性的突破，在世界各国掀起了高效多结太阳电池的研究热潮。
与太阳电池研究的迅速发展同步，人们一直致力于建立太阳电池的测试国际标准。经过多年努力，人们已经建立了从单个电池的光谱响应、电流电压特性、到组件电流电压特性测试等各方面的太阳电池国际测试标准。然而这些测试标准绝大多数都是针对单结硅太阳电池的，而针对多结太阳电池的光谱响应与电流电压特性的国际测试标准仍未建立。现在国外一些研究太阳电池的实验室如德国Institute of Photovoltatics(IPS)和美国国家可再生能源实验室已经建立了多结电池的光谱响应和电流电压测试系统。而在国内，还没有见到关于多结太阳电池测试系统的报道。
然而，目前国内外的商用电池测试系统基本都是分立的两套系统，造成测试操作极为不便，并与所占空间、所费能耗一并造成测试成本的大幅增加。
发明内容
有鉴于现有多结太阳电池测试系统采用两套分立的弊端，本发明的目的在于提出一种多结太阳电池的集成测试系统，通过深入研究高效多结太阳电池的测试方法，设计并建立一套针对多结太阳电池光谱响应和电流电压特性的集成测试系统，以期操作便捷、降低测试成本，以满足光伏企业中多结太阳电池研究和生产需求。
本发明目的得以实现的技术方案是：
多结太阳电池的集成测试系统，包括集成且共用一个样品台的光谱响应测试单元和电流电压特性测试单元，其中该光谱响应测试单元包括按光路顺序设置的光源、单色仪、滤光片、斩波器、偏置光源，以及设置于样品台上且输出端连接到锁相放大器的至少两个标准探测器，且样品台连接一偏置电压；该电流电压特性测试单元包括模块化设计的太阳光模拟器、以及透过样品台连接到待测太阳电池的电源电表；且所述锁相放大器和电源电表的输出端分别连接到测试计算机。
进一步地，前述多结太阳电池的集成测试系统，其中该样品台由导热导电的金属材质制成——比较理想的是铜，样品台背面贴设有与循环冷却水管相连的迂回沟道，测试人员可以根据实际需要选择是否配备水冷装置；且该样品台设置在与测试计算机信号相连的自动位移平台上。
更进一步地，前述多结太阳电池的集成测试系统，其中该样品台还接设有测量并控制待测太阳电池温度的温控装置，结合水冷装置和迂回沟道对太阳电池进行温度的控制。
更进一步地，前述多结太阳电池的集成测试系统，其中该光谱响应测试单元的光源为直流供电的氙灯，且配套带有滤光片；偏置光源为卤钨灯。此外，该光谱响应测试单元还包括曲面反光镜和平面反光镜，以弯折、调整单色光源平行照射到待测太阳电池。
再进一步地，前述多结太阳电池的集成测试系统，其中该测试计算机装有采用Labview编写的控制软件，并通过GPIB、USB等通用接口对设备进行通讯控制，实现模块化、全自动化测试。
本发明设计的多结太阳电池的集成测试系统应用后的技术效果为：
a)把多结太阳电池光谱响应和电流电压特性的测试系统统一起来，集成为一套测试系统，提高了测试系统的操作便利性，有效降低了测试成本。
b)使用偏置光源(配合使用不同带通区间的滤波器)和偏置电压，有效解决了多结太阳电池的导通问题，更利于提高测试其光谱响应和量子效率。
c)整个测试系统采用模块化设计，使得太阳光模拟器、偏置光源、探针台以及温控系统等的选择性设置，能够满足不同用户的测试要求。
附图说明
图1是本发明多结太阳电池的集成测试系统一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明一优选实施例及其附图，对本发明多结太阳电池的集成测试系统进行详细而非限制性地说明。
该多结太阳电池的集成测试系统采用模块化设计，各个重要部件可以根据客户的要求灵活选用。整个测试系统设计内容包括：光源的选择；单色光的获得；提高信噪比；单色光功率的测试；偏置光的选择；太阳光模拟器的选择；探针台的设计；温控系统设计；以及数据自动化采集和处理。特别地，集成测试系统中光谱响应和电流电压特性测试共用一个样品台，该样品台置于自动位移平台上，便于在标准探测器和待测太阳电池之间切换。此外共享部分偏置光，不仅使操作更加方便，并且降低了成本。
根据多结太阳电池光谱响应与电流电压特性集成设计的基本要求，设计包括如下主要内容：
(1)利用偏置光源(配合使用不同带通区间的滤波器)和偏置电压解决多结太阳电池光谱响应测试中的串联子电池的导通问题。多结太阳电池相当于两个电池串联起来工作。当要测量子电池的光电流时，必须在其他子电池上加上偏置光，这样使在测试其中一个子电池的光谱响应时，其余的子电池也存在光电流，从而使整个多结电池有电流流过。另外，由于偏置光的作用，其它子电池处于正向偏压，而测量的电池处于反偏压状态。由于这些子电池在反向偏压的状态下存在由电压决定的收集效果，并且在反向电压下电流值要大于短路电流ISC，这会引起对量子效率的过高估计，因此被测量的电池应该在零偏压下进行测试，这可以通过给多结电池加正向偏压而实现。以上两点正是多结太阳能电池的测试光谱响应曲线不同于常用的单个电池的测试之处，这也是设计和搭建测试系统的关键所在。
(2)在光谱响应测试中，为了使被测量电池的光电流最大，增加偏置光强度和调整偏置电压的值的这个过程是一个反复进行的过程。因此需要并建立一套多结太阳电池核心参数性能测试规范流程，需要通过测试计算机编写的程序进行反复运算。
(3)多结太阳电池的电流电压测试。多结太阳电池的电流电压特性测试和单结电池相似，所不同的是：测量多结电池电流电压特性对太阳光模拟器的要求要高得多。因为在测量单结电池效率时只要求高于带宽的整个波段的总光通量与太阳光通量一致，而在测量多结电池效率时要求在高于带宽的各个波段的光通量都与太阳光通量一致，即对太阳光模拟器的光谱匹配度要求要高得多。本部分测试系统采用模块化设计，方便用户根据需要选择合适的太阳光模拟器。
(4)集成系统中光谱响应和电流电压特性测试共用一个样品台，该样品台置于自动位移平台上，这就便于在标准探测器和待测太阳电池之间切换。样品台的尺寸要能满足各种规格尺寸太阳电池样品容纳的要求。该样品台采用导热性能好的铜制作，铜的背面设计循环冷却水管经过的迂回沟道，这样可以根据用户的需要选择是否配备水冷装置。样品台上还可以配上温控装置，以控制和测量电池样品的温度。
(5)实现多结电池光谱响应和电流电压特性集成测试系统的整体设计。集成测试系统的测试计算机的控制软件采用Labview编写，通过GPIB、USB等通用接口接收来自锁相放大器和电源电表的测试结果数据，并对各主要设备进行通讯控制，实现模块化、全自动化。
为了最大可能性地降低各种误差来源带来的对数据不确定性的影响。根据多结太阳电池光谱响应和电流电压特性测试要求，整个集成测试系统的结构示意图如图1所示：
该集成测试系统主要包括：共用一个样品台3的光谱响应测试单元和电流电压特性测试单元，其中该光谱响应测试单元包括按光路顺序设置的光源11、单色仪12、滤光片、斩波器13、偏置光源14，以及设置于样品台上且输出端连接到锁相放大器23的两个标准探测器151、152，且样品台3连接一偏置电压16；该电流电压特性测试单元包括模块化设计的太阳光模拟器21、以及透过样品台连接到待测太阳电池4的锁相放大器23和电源电表22，且锁相放大器23和电源电表22的输出端分别连接到测试计算机5。此外，该光谱响应测试单元还包括曲面反光镜17a、17b及平面反光镜18。其中：
该光源11为直流供电的氙(Xe)灯，用做光谱响应测试的单色光源。
该单色仪12的光谱范围覆盖200nm-2500nm的紫外光、可见光和近红外波段。
该滤光片(未图示，一般与单色仪12配套使用)用于消除多级光谱，可随波长的变化而自动更换滤波片。
该斩波器13对单色光进行交流调制，同时输出信号给锁相放大器作为参考信号。
该锁相放大器23用于测试信号的采集、放大和A/D转换，并传输给测试计算机，以备测试程序参考之用。
为避免透镜的色差问题，采用曲面反光镜17a、17b将经过斩波器13后的发散光转换成平行光，照射到多结太阳电池表面。此外，为了调节光线的照射方向及位置，还可以选用平面反光镜18引导光路。
该标准探测器151、152采用进行过绝对光谱响应标定的标准探测器测试不同波长单色光的光功率。一般要选用两个以上的探测器才覆盖从紫外到近红外波段。
该偏置光源14结合滤光片：选用功率较低的卤钨灯，滤波片选择特定波长的单色光或者带通滤波片。亦可根据多结电池结构选择适当波长的激光器作为偏置光源。
该直流偏置电压16用于为待测太阳电池提供正向偏压的稳压直流电源。
该样品台3用作为光谱响应测试和电压电流性能测试的共用样品台。该样品台3置于自动位移平台上，这样便于切换测量标准探测器151、152和待测太阳电池4的光生电流。该样品台3需根据电池样品的尺寸要求来设计并用导电导热性能好的铜制作，铜的背面设计循环冷却水管经过的迂回沟道，这样可以根据用户的需要选择是否配备水冷装置。样品台上还可以配上温控装置6，以稳定控制和测量电池样品的温度。
该太阳光模拟器21采用模块化设计，可以根据用户不同的需要选择合适光通量的模拟器。
该电源电表22用于电池的IV测试，可选型号为Keithley 2420。
该测试计算机5安装有采用Labview编写的控制软件，设置各组件参数及测试参数，自动测试，数据计算处理，给出被测探测器的光谱响应度和量子效率，并可将数据和曲线打印输出。
综上，本发明多结太阳电池的集成测试系统的技术优点便显而易见：除了将原先两个分立的系统集成整合，使测试操作更为方便、降低成本外，还可通过模块化设计融入温控系统、偏置光源、选择太阳光模拟器等，满足不同用户的测试要求。以上附图及其说明仅作为实施例提供，其实施方式根据模块取舍及选择的不同具有多样性，故凡对以上实施例进行简单修改或等效变换，能够实现本发明目的的设计方案，均应纳入本专利申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述测试系统包括集成且共用一个样品台的光谱响应测试单元和电流电压特性测试单元，其中所述光谱响应测试单元包括按光路顺序设置的光源、单色仪、滤光片、斩波器、偏置光源，以及设置于样品台上且输出端连接到锁相放大器的至少两个标准探测器，且所述样品台连接一偏置电压；所述电流电压特性测试单元包括模块化设计的太阳光模拟器、以及透过样品台连接到待测太阳电池的电源电表；且所述锁相放大器和电源电表的输出端分别连接到测试计算机。
2.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述样品台设置在与测试计算机信号相连的自动位移平台上。
3.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述样品台为由导热导电材质制成，并且样品台背面贴设有与循环冷却水管相连的迂回沟道。
4.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述样品台还接设有测量并控制待测太阳电池温度的温控装置。
5.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述光源为直流供电的氙灯。
6.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述偏置光源为卤钨灯。
7.根据权利要求1所述的多结太阳电池的集成测试系统，其特征在于：所述光谱响应测试单元还包括曲面反光镜和平面反光镜。
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