CN103064030A

CN103064030A - 电池聚光测试系统和方法及用于电池聚光测试的样品台

Info

Publication number: CN103064030A
Application number: CN2012105588364A
Authority: CN
Inventors: 魏郝然; 杨军; 王伟明
Original assignee: Guodian Technology and Environment Group Corp Ltd
Current assignee: Jiangsu Yixing De Rong Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103064030B

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池聚光测试系统和方法及相应的测试样品台。所述太阳能电池聚光测试系统包括：光源、聚光系统、第一反射镜和第二反射镜、测试电池和电池性能测试系统。聚光系统会聚由光源发出的模拟太阳光，并输出相对于光源发出的模拟太阳光具有预定聚光倍数的平行光。第一反射镜布置成以45度角接受由聚光系统输出的平行光。第二反射镜布置成以45度角接受由第一反射镜反射的光。测试电池接受由第二反射镜反射的光。电池性能测试系统电连接到测试电池，用于对测试电池进行性能测试，其中，通过改变聚光系统的聚光倍数以在不同聚光倍数下对电池进行性能测试。本发明利用独特的光路设计，可以减少二次反射对聚光测试的影响。

Description

电池聚光测试系统和方法及用于电池聚光测试的样品台

技术领域

本发明涉及太阳能电池聚光技术，属于太阳能电池聚光性能测试领域。

背景技术

近年来，太阳能电池作为一种新型的可再生能源，已经越来越受到了人们的关注，其在能源产业上的地位也越来越重要。随着太阳能技术的不断发展和人们对于高效太阳能电池的不断的深入探究，由多个PN结构成的高效太阳能电池(以下称为聚光太阳能电池)和聚光组件共同组成的聚光太阳能电池系统势必将会成为太阳能电池应用的主流。

对于多个PN结的太阳能电池，在实际应用过程中，往往都不是直接工作在户外太阳光下，而是要通过聚光透镜把一个大面积的太阳光汇聚到一块很小的电池表面，这样使得该太阳能电池表面单位面积接收到了高于普通太阳光几倍甚至几百倍的光强(具体取决于透镜面积和透镜焦点光斑面积大小的比值)，这样就使得一块同样大小的太阳能电池产生更高的输出电流(输出电流会与聚光倍数成正比)和输出电压，因此可以大幅度的提高太阳能电池的输出功率。

然而，在不同的光照强度和不同的温度下，太阳能电池的电流-电压特性也会发生变化。因此，需要检验在1个标准太阳光(户外日光)的条件下性能良好的电池是否在高倍聚光条件下仍有优良的电流电压特性，并且希望能够找出该电池在多少聚光倍数下能输出最高的输出功率，在多少聚光倍数下有最高的能量转化效率等。太阳能电池聚光测试系统就是一种能够在高于普通太阳光光强数倍或是数百倍的条件下对太阳能电池进行电流电压性能测试并且有效记录测试数据(开路电压，短路电流，填充因子，效率，串联电阻，并联电阻等)和电流电压曲线的的一套完整系统。

在当前的太阳能电池聚光测试领域中，往往都是通过添加聚光透镜或者直接用高光强的光源(一般是1个标准太阳光强的20-70倍，后面我们统称这类光源为聚光光源)来代替传统的氙灯光源的方法来实现聚光测试。

例如，图1示出了一种通过添加菲涅尔透镜来实现聚光的测试系统。其包括模拟光源10、聚光透镜(例如菲涅尔透镜)20、样品台40、光源控制器50、测试系统60等。测试电池30放在样品台40上。聚光透镜20用于会聚由模拟光源10例如标准氙灯光源发出的模拟太阳光。由聚光透镜20会聚的高光强的光斑照射在测试电池30上。光源控制器50可用于调节模拟光源10的功率来控制模拟光源1输出的模拟太阳光的强度。测试系统60包括半导体参数仪、电脑等，均通过导线电连接到光源控制器50和测试电池30，用于实时地对测试电池30进行电流电压性能测试。

上述测试系统的聚光倍数是由菲涅尔透镜20的面积与通过菲涅尔透镜20后照射在电池30平面上的光斑的面积的比值决定的，可以通过调整菲涅尔透镜20到电池30表面的垂直距离，来改变光斑面积的大小(光斑面积一定要比电池面积大，透镜面积/电池面积是该透镜理论能满足的最大聚光倍数)，以达到调节聚光倍数的目的，从而实现对不同聚光倍数下的电池性能的测试。

但是由于散射光的存在以及光在传播途径中的损失，聚光倍数不是与聚光透镜到电池表面的距离线性地成比例，因此往往不能准确、定量地校准聚光倍数。换句话说，在光强一定的情况下，现有的采用菲涅尔透镜的聚光测试系统都只能通过改变菲涅尔透镜的位置单纯地增加或者减小聚光倍数，测试人员并不能准确地知道照射到电池表面的光斑的聚光倍数。

另外，采用聚光光源来实现聚光测试的系统，即把标准光源直接更换为具有一定聚光倍数的聚光光源，直接对电池进行测试，不需要添加任何聚光透镜。这样虽然可以定量地确定单一的聚光倍数，然而被测光斑聚光倍数不可调整是其一大缺点，而且聚光光源造价昂贵，难以广泛应用。

其次，从技术角度以及测试的可靠性分析，照射在电池表面的光会有小部分在电池与镜面之间经过二次反射重新被电池吸收，这种现象不仅仅是在聚光测试中特有的，在非聚光的太阳能电池测试中，也会出现这种情况，这是引起测试误差的原因之一，而在聚光条件下，这种误差显然会随着聚光倍数的增加被放大，这样的测试结果也是测试人员不希望看到的。

另外，从测试环境角度讲，测试电池在高倍聚光下由于光强较标准太阳光强(1000瓦/平方米)要大得多(具体视聚光倍数而定)，而现有的聚光测试系统对测试人员的视力缺乏应有的保护，由于绝大多数的测试都在暗室中进行，人眼的瞳孔此时处于最大化的状态，如测试人员在测试过程中不小心直视到50倍以上的聚光光斑，视力将受到严重损伤。

发明内容

鉴于上述现有技术中的上述问题，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷和问题的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提出一种太阳能电池聚光测试系统，包括：

光源，所述光源为太阳模拟光源；

聚光系统，所述聚光系统布置成会聚由光源发出的模拟太阳光，并输出相对于光源发出的模拟太阳光具有预定聚光倍数的平行光；

第一反射镜，所述第一反射镜布置成以45度角接受由聚光系统输出的平行光，

第二反射镜，所述第二反射镜布置成以45度角接受由第一反射镜反射的光；

测试电池，所述测试电池放置在第二反射镜的反射光的光路上，用于接受由第二反射镜反射的光；以及

电池性能测试系统，所述电池性能测试系统电连接到测试电池，用于对测试电池进行性能测试，其中，通过改变聚光系统的聚光倍数以在不同聚光倍数下对电池进行性能测试。

根据本发明的一个实施例，所述聚光系统包括：聚光透镜，所述聚光透镜布置成会聚由所述光源发出的所述模拟太阳光；平行光透镜，所述平行光透镜布置成将由所述聚光透镜会聚的光转化为平行光并输出所述平行光；其中，通过改变聚光透镜与平行光透镜中的至少一个的焦距和/或两者之间的距离来改变聚光系统的聚光倍数。

根据本发明的一个实施例，所述聚光透镜和所述平行光透镜中的至少一个为变焦透镜。

根据本发明的一个实施例，所述聚光系统还包括位于聚光透镜和平行光透镜之间的孔径光阑，所述孔径光阑构造成能够根据测试电池的形状和大小相应地调节孔径光阑的孔径的形状和大小，从而使具有一定形状和大小的光斑照射到测试电池上。

根据本发明的一个实施例，所述第二反射镜为具有一定反射/透射比的分光镜，所述太阳能电池聚光测试系统还包括能够精确测定聚光倍数的标准电池，所述标准电池放置在相对于所述分光镜与测试电池对称的位置处，从而，测试电池接受被分光镜反射的光，标准电池接受透过分光镜的光；并且，标准电池也电连接到电池性能测试系统，其中，标准电池用于根据以下公式确定照射到测试电池的光的聚光倍数：

C＝I/I₀*X (1)

其中，C表示照射到测试电池的光的聚光倍数，I表示电池性能测试系统测得的标准电池的短路电流I，I₀为标准电池上标明的标准电池在标准太阳光强下的短路电流I₀，X为分光镜的反射/透射比。

根据本发明的一个实施例，所述平行光透镜、第一反射镜、第二反射镜、测试电池和标准电池安装于样品台上，所述平行光透镜位于样品台的表面上，所述第一反射镜、第二反射镜和标准电池位于样品台内部，所述测试电池位于样品台的表面上与平行光透镜不同的位置处。

根据本发明的一个实施例，所述标准电池还用于测定分光镜的反射/透射比，当需要测定所述分光镜的反射/透射比时，分别将标准电池放置于样品台上的测试电池位置和标准电池位置并电连接到电池性能测试系统，根据电池性能测试系统输出的在测试电池位置的标准电池的短路电流I₂与在标准电池位置的标准电池的短路电流I₁的比I₂/I₁来确定分光镜的反射/透射比X，即X＝I₂/I₁。(2)。

根据本发明的一个实施例，所述样品台连接有载物片，用于安装测试电池，所述载物片可在扣合于样品台表面上的第一位置和从样品台表面翻起的第二位置之间转换，从而，测试电池可在载物片处于第二位置时安装于载物片的面对样品台的表面上，并在载物片扣合到样品台的第二位置时连接于样品台上。

根据本发明的一个实施例，所述的太阳能电池聚光测试系统还包括透镜支架，所述透镜支架包括带刻度的支杆和位于支杆上的可调节高度的透镜托架，所述透镜托架用于安放聚光透镜。

根据本发明的另一方面，提出一种用于太阳能电池聚光测试的样品台，所述样品台用于安装平行光透镜、反射镜、分光镜、测试电池和标准电池，其中，所述平行光透镜位于样品台的表面上，所述反射镜、分光镜和标准电池位于样品台内部，所述测试电池位于样品台的表面上与平行光透镜不同的位置处，所述平行光透镜、反射镜、分光镜、测试电池和标准电池布置为使得：

反射镜以45度角接受由平行光透镜输出的光；

分光镜以45度角接受由第一反射镜反射的光；

测试电池位于所述分光镜的反射光的光路上，用于接受由所述分光镜反射的光；以及

标准电池位于所述分光镜的透射光的光路上，用于接受由所述分光镜透射的光，并且所述标准电池位于相对于所述分光镜与所述测试电池对称的位置处。

根据本发明的另一方面，提出一种太阳能电池聚光测试方法，包括以下步骤：

采用聚光系统会聚由光源发出的模拟太阳光，并输出相对于光源发出的模拟太阳光具有预定聚光倍数的平行光；

将第一反射镜布置成以45度角接受由聚光系统输出的平行光，

将第二反射镜布置成以45度角接受由第一反射镜反射的光；

将测试电池放置在第二反射镜的反射光的光路上，用于接受由第二反射镜反射的光；以及

将电池性能测试系统电连接到测试电池，对测试电池进行性能测试，其中，通过改变聚光系统的聚光倍数以在不同聚光倍数下对电池进行性能测试。

根据本发明的一个实施例，所述聚光系统包括聚光透镜和平行光透镜，采用聚光透镜会聚由光源发出的平行光，并采用平行光透镜将由聚光透镜会聚的光转化为平行光并输出；其中，通过改变聚光透镜与平行光透镜(两者或两者之一的)焦距和/或两者之间的距离来改变照射到测试电池的光的聚光倍数。

根据本发明的一个实施例，将所述第二反射镜设置成具有一定反射/透射比的分光镜，所述太阳能电池聚光测试方法还包括采用标准电池标定聚光倍数的步骤，包括：

将所述标准电池放置在相对于所述分光镜与测试电池对称的位置处，从而，测试电池接受被分光镜反射的光，标准电池接受透过分光镜的光；

将标准电池电连接到电池性能测试系统；

根据以下公式标定照射到测试电池的光的聚光倍数：

C＝I/I₀*X (1)

根据本发明的一个实施例，还包括利用所述标准电池标定分光镜的反射/透射比的步骤，包括：

分别将标准电池放置于样品台上的测试电池位置和标准电池位置并电连接到电池性能测试系统，根据电池性能测试系统输出的在测试电池位置的标准电池的短路电流I₂与在标准电池位置的标准电池的短路电流I₁的比I₂/I₁来标定分光镜的反射/透射比X，即X＝I₂/I₁。

根据本发明的太阳能电池聚光测试系统，对传统的测试光路进行了改进，使得一个太阳光强度的标准光源(一般测试系统为氙灯光源)的光经过聚光透镜聚光后被第一反射镜和第二反射镜两次反射，增加了总的反射光程，使得被测试电池反射的光在经过多次反射镜反射后，与中心光线的偏移越来越大，使得最终的反射光线很难再次照射到测试电池上，从而减少了反射光对聚光测试的影响。

另外，通过在测试光路中安装标准电池片，可实现对聚光倍数即时进行校准，获得精确的聚光倍数，满足太阳能电池片在不同聚光倍数下测试的需求。

并且，由于一个太阳光强度的标准光源照射到聚光透镜，再经过聚光透镜聚光后照射在样品台表面的平行光透镜上，经过平行光透镜透射过去的光都会在样品台内部经过多次反射最终照射在样品上。由于人眼能够接受到的光是被物体反射到人眼中的光，所以经过平行光透镜透射之后的光都在样品台内部，处于封闭环境中，而在平行光透镜之前的光路，几乎不会有光会被反射到人眼，这样就避免了测试人员直接观察高倍聚光下电池的风险，对测试人员视力起到了保护作用。

附图说明

图1是现有的太阳能电池聚光测试系统的整体结构示意图；

图2是根据本发明的一个示例性实施例的太阳能电池聚光测试系统的整体结构示意图；

图3是显示图1中的测试光路部分的局部结构示意图；

图4a-4c分别示出了几种孔径光阑的示意图；

图5a是显示现有技术的测试光路中的二次反射现象的示意图；以及

图5b是显示根据本发明的示例性实施例的测试光路中的二次反射现象的放大图。

图6a和6b分别显示图1中的样品台的平面图和透视图；

图7a显示图6中所示的样品台中的载物片的翻起状态的示意图；

图7b是显示测试电池在图7a中的载物片上的放置位置的放大图；

图8是显示根据本发明的一个实施例的聚光透镜支架的侧面示意图；

具体实施方式

以下结合附图描述根据本发明的示例性实施例的太阳能电池聚光测试系统的结构和测试方法。注意，附图只是示出了一种示例的实施例，本发明可以以其它的方式实施。

如图2所示，根据本发明的太阳能电池聚光测试系统的主要结构包括：光源1，所述光源发出模拟太阳光；聚光系统2，用于会聚由光源1发出的模拟太阳光，并输出相对于光源发出的模拟太阳光具有预定聚光倍数的平行光；第一反射镜41，所述第一反射镜41布置成以45度角接受由聚光系统2输出的平行光；第二反射镜42，所述第二反射镜42布置成以45度角接受由第一反射镜41反射的光；测试电池43，所述测试电池43放置在第二反射镜42的反射光的光路上，用于接受由第二反射镜42反射的光；以及电池性能测试系统6，所述电池性能测试系统6电连接到测试电池，用于对测试电池进行性能测试，其中，通过改变聚光系统2的聚光倍数来进行不同聚光倍数下的电池性能测试。

根据图2和3所示的实施例，光源1采用标准氙灯光源，其可包含光源开关、滤光片等部件。标准氙灯光源1可与光源控制器5连接，光源控制器5用于控制光源1输出一定强度的模拟太阳光。聚光系统2包括聚光透镜21和平行光透镜22。聚光透镜21例如为菲涅尔透镜，布置在光源1的下方，用于会聚由光源1发出的模拟太阳光。平行光透镜22布置在聚光透镜21的下方，用于将由聚光透镜21会聚的光转化为平行光以输出。在采用这样的聚光系统的实施例中，可以通过改变聚光透镜21与平行光透镜22两者或两者之一的焦距和/或改变两者之间的距离来改变聚光系统的聚光倍数。

聚光透镜21和平行光透镜22可以构成缩束望远镜系统，具体而言，如图3所示，假设聚光透镜21距离平行光透镜22的垂直高度为H，且聚光透镜21的焦距为F₀，平行光透镜22的焦距为f₀，只需满足H＝F₀+f₀，则通过这一望远镜透镜组合系统输出的光即为平行光。并且，这样的聚光系统2的聚光倍数可以表示为F₀/f₀。

为了便于调整聚光倍数，根据一个实施例，将聚光透镜21和平行光透镜22中的至少一个设置为变焦透镜。

根据另外的实施例，可以在上述的望远镜系统的基础上，使用一些成本更高、精度和可控性更高的透镜组合，使照射在测试电池上的光尽可能地绝对平行，例如可以将光源1通过望远镜系统和光阑组合先扩束形成大面积的平行光束，然后再用前述的聚光透镜和平行光透镜的组合形成良好的平行光辐照在测量位置上。

根据另外的实施例，上述太阳能电池测试系统中的所有透镜可以用反射镜等其它光学元件来代替，只要能够实现将光源1输出的模拟太阳光进行会聚并输出平行光即可。

另外，根据一个实施例，如图2所示，可以在聚光透镜21和平行光透镜22之间设置孔径光阑23(图中以虚线示意示出)。孔径光阑23构造成能够根据具体的测试电池43的形状和大小相应地调节孔径光阑的孔径的形状和大小，从而使具有一定形状和大小的光斑照射到测试电池上，达到使光更有效地照射在电池表面的目地，减少杂散光和电池表面以外的光。图4a-4c分别示出了几种孔径光阑的示意图。每一种孔径光阑23都具有用于调节孔径尺寸的孔径尺寸调杆31和孔径32，其中图4a示出了圆形孔径，图4b示出了六边形孔径，图4c示出了正方形孔径，分别用于圆形电池、六边形电池和方形电池。

另外，如图2和3所示，根据本发明的一个实施例，在聚光透镜21下方提供一样品台4，用于安装平行光透镜22、第一反射镜41、第二反射镜42、测试电池43等。平行光透镜22位于样品台4的表面上，第一反射镜41、第二反射镜42位于样品台4的内部，测试电池43位于样品台4的表面上与平行光透镜22不同的位置处。

具体而言，平行光透镜22位于样品台4的表面上，位于聚光透镜21的正下方。第一反射镜41与样品台4的表面形成45度角，从而第一反射镜41布置成以45度角接受由平行光透镜22输出的平行光。第二反射镜42安装在样品台4内部与第一反射镜41平行相对的位置处，与样品台4的表面也形成45度角，从而第二反射镜42能够以45度角接受由第一反射镜41反射的光。测试电池43安装于样品台4的表面上与平行光透镜22分开的位置处，位于第二反射镜42的正上方，用于接受由第二反射镜反射的光。

此外，如图2所示，根据本发明的太阳能电池聚光测试系统还可以包括用于电池的真空吸附的真空泵7、用于电池散热的冷却水循环系统8、散热片、电源、计算机及其测试相关软件以及在各个部件之间进行电传输的导线等。测试系统6包括半导体参数仪等，可通过导线与测试电池43和标准电池44的正负电极电连接，并连接到光源控制器5。此外，还可以为聚光透镜21提供透镜支架24(图8)。

当利用图2所示的聚光测试系统对测试电池43的性能进行测试时，可以通过改变聚光透镜21与平行光透镜22中的至少一个的焦距和/或两者之间的距离来改变聚光系统的聚光倍数，从而改变照射到测试电池43的光的聚光倍数，以进行不同聚光倍数下的电池性能测试。

根据具有上述光路结构的电池测试系统，能够显著减小在电池与聚光系统的透镜之间的二次反射光对测试的影响。以下参照图5a和5b对此进行说明。

图5a是显示图1所示现有技术的测试光路中的二次反射现象的示意图。图5b是显示根据本发明的示例性实施例的测试光路中的二次反射现象的放大图。

如图5a所示，如果使用传统的聚光测试系统，直接在测试电池30上方添加聚光单元(如图1所示)，那么通过透镜20后的聚光光束会照射在测试电池30上，由于电池表面会有小部分的反射，考虑极端情况，如图5a所示，一束垂直于测试电池表面的光线，经过聚光透镜如菲涅尔透镜汇聚后，变为一条出射角为θ的光线L，照射在电池片的左边缘后反射到聚光透镜20(即菲涅尔透镜)下表面，再经过反射后照射在测试电池30的右边缘。假设透镜20到测试电池30的高为350mm，测试电池为1cm*1cm的聚光电池，那么经过简单计算可知只要从聚光透镜发出的光线与测试表面的垂线夹角小于约0.81度(即θ小于0.81度)，并且照射到电池表面的光，均可发生2次反射，反射光的强度视聚光倍数而定。

如图5b所示，如果使用本发明设计的光路系统应用在同样的条件下(透镜到测试电池的高为350mm，测试电池为1cm*1cm的聚光电池)。如图5b所示，实线L₁为实际光路，虚线L₀为理论垂直光束。为了方便计算且考虑极端情况，假设光路的高和宽都是66cm，选用第一反射镜41和第二反射镜41’均与样品台表面形成45度角，那么单次反射如图，如果经过平行光透镜之后的光束仍然与样品台的垂直方向偏移θ度，那么倾角为θ的光束L₁与假设的理论垂直光束L₀在反射镜处的位置沿水平方向将会相差一段距离，此时假设我们修正这条倾角为θ的光束，让它反射后沿平行于垂直光束的方向传播，得到如图所示的第一条修正反射光线L₂，那么照射到被测电池的时候，会与垂直光线照射在被测电池的位置发生偏移，此偏移是由于图中最初的光线L₁与垂直光线L₀发生了θ的偏角，我们假设此被测电池处发生的偏移的长度为一个单位长度d。如果我们假设我们把θ倾角的光线，在第二次反射后修正其光束，得到如图所示的第二条修正反射光线L₃，那么最后照射在被测电池上的光束与垂直光束的偏差就为2个单位长度。如果我们不修正θ倾角的光束L₀，那么这条光束L₀会沿真实的传播方向最终落在离垂直光束左边3个单位长度的地方。如果考虑到此光线被电池表面反射(同样的原理，反射光路不再画出)，回到样品台表面的平行光透镜处，则反射光线位于如图中所示的距离最初的光线右侧6个单位长度的位置P₁处，再反射回电池的左侧边缘处，则位于距离电池右边缘处9个单位长度的位置P₂处。经过计算(9个单位长度为电池长度1cm)可知，经过聚光后通过平行光透镜的光线沿垂直方向小于约arcsin(1/9)/66＝0.18度(即图中光线L₁与垂直光线L₀的夹角)，并且照射到电池表面的光，才可发生2次反射，所以本发明的光路设计与传统设计相比会减少大约78％的二次反射。

并且，如果用平板分光镜42取代第二片反射镜41’，被测试电池反射的光还会在垂直方向上透过平板分光镜42到达样品台底部，如图5b中的L₄所示，进一步减少了回到测试电池的二次反射光。而且，如果增加反射镜41与平板分光镜42之间的光程，即增加样品台尺寸，把平板分光镜沿图中水平方向右移，这样相当于增加了光线在第二反射镜或分光镜处偏移的单位长度d，从而最终落在测试电池上的光束与垂直光束的偏移长度也会增加，而总的电池面积不变，根据之前的计算过程可以得出结论，测试中会减少更大比例的回到测试电池的二次反射光。

综上所述可知，根据本发明的聚光测试系统的光路设计，可以极大地减少回到测试电池的二次反射光，因此减少二次反射对测定电池聚光倍数的影响，使得照射到测试电池的聚光倍数尽可能地接近聚光系统的聚光倍数。

本发明所考虑的另一方面的问题是，由于在光源与测试电池之间添加了聚光系统、反射镜等，即使不考虑二次反射的问题，透镜(菲涅尔透镜、平行光透镜)的色散问题和反射镜的反射率等也可带来光强的变化(主要造成光强的降低)，使得最终照射到测试电池表面的光的聚光倍数仍然会发生变化，可能不等于聚光系统的聚光倍数。虽然实际中可以在测试系统中尽可能地选用低色散系数的聚光透镜和宽光谱高反射率的反射镜来部分减轻上述问题，但仍不能保证其效果。而本发明的另一个实施例则满意地解决了上述问题，以下将详细说明。

具体而言，根据本发明的另一个实施例，如图2和3所示，可以在测试光路中进一步提供标准电池44并采用平板分光镜作为第二反射镜42。标准电池44是是经过专业的认证机构校准后在其上标明一个标准太阳光照射下的短路电流10的电池。如图3所示，标准电池44放置在样品台4的内部，位于相对于第二反射镜42与测试电池43轴对称的位置处，从而，测试电池43接受被分光镜42反射的光，标准电池44接受透过分光镜42的光。

由于标准电池43和测试电池44均位于测试光路的末端，因此，无论之前测试光路中会产生多大的光损失，照射在标准电池和测试电池上的光强的差别只受到平板分光镜的反射/透射比的影响。因此，可以采用标准电池精确测定测试电池的聚光倍数。具体过程如下：

当需要精确测定聚光倍数时，开启光源1后，可以将测试电池43和标准电池44同时电连接到测试系统6，并根据测试系统6输出的标准电池44的短路电流值I和分光镜42的反射/透射比X来计算照射到标准电池的光的聚光倍数C。具体计算公式如下：

C＝I/I₀*X (1)

其原理说明如下：利用如图2所示的聚光测试系统进行测试时，经专业校准过的标准的模拟光源1照射出一个标准太阳光强的模拟太阳光，通过聚光透镜21后，光线聚焦在样品台4表面的平行光透镜22上，其中光源1面积大小与样品台4表面的平行光透镜22面积的比值决定了这套测试系统理论的最大聚光倍数(300倍以上)，照射在平行光透镜22上发散的光经收敛后通过反射镜41和平板分光镜42的两次反射照射在倒置放置在样品台4上的测试电池43的表面。由于反射镜41和平板分光镜42均与样品台表面(测试电池表面)夹角为45度角，并且测试电池43和标准电池44放置成相对于分光镜42轴对称的位置处，因此，聚光光线照射在测试电池和标准电池上的强度比例就等于分光镜的反射/透射比。因此，只要测试出照射到标准电池上的光线的聚光倍数，再乘以分光镜的反射/透射比，即可以计算出照射到测试电池上的光线的聚光倍数。

而测试照射到标准电池上的光线的聚光倍数，只需要通过测试系统6测试出标准电池的实时短路电流值I，并且对于标准电池，已知一个标准太阳光照射下的短路电流I₀，因此，用测试系统实时测试的短路电流值I除以一个标准太阳光照射下的短路电流I₀，即可知道照射在标准电池44上的光相对于一个标准太阳光的聚光倍数(I/I₀)。

以上算法都可以写进软件程序中，随时输出照射在测试电池表面的聚光倍数，从而达到了精确测定测试电池聚光倍数的目的。并且，根据本发明的上述方法来确定聚光倍数，由于不受分光镜之前光路的影响，因此，能够精确地确定聚光倍数，进一步消除从平行光透镜22输出的非完美平行光的非平行性、透镜的色散和反射镜的反射率等带来的测量误差。

以上计算假定分光镜的反射/透射比已知。通常，为了达到更高的聚光倍数，我们需要选用高反射、低透射的分光镜，例如可选用反射透射比为80/20或50/50的平板分光镜，光谱的覆盖面积从200nm-2um的范围且有稳定的对应不同波长的反射/透射率。

当分光镜的反射/透射比未知，或者为了更精确地测定分光镜的反射/透射比时，只需要在第一次测定聚光倍数的时候将标准电池44取出放在测试电池43的位置进行测试，得到短路电流I₂，再将标准电池放回其原位，测试得到短路电流I₁，即可知道分光镜准确的反射/透射比X＝I₂/I₁。这样，用所测定的反射/透射比X乘以标准电池的聚光倍数，能够得到更精确的测试电池的聚光倍数的数值。

例如，标准电池44在专业的标定机构测试出1个标准太阳光下的短路电流为14mA，那么将标准电池44放置在这套测试系统中的标准电池位置，打开光源，随意调节一菲涅尔透镜高度，然后测试标准电池44，得到短路电流值为140mA，然后将标准电池44放置在测试电池43的位置，其他条件均不变，如果测试得到短路电流为280mA，那么说明照射在标准电池44上的聚光倍数为10倍(140mA/14mA)，在乘以反射与透射的比2(280mA/140mA)，得到最终测试电池的聚光倍数为20倍。上述光路设计使得能够即时得知准确的聚光倍数。这样，之前所有聚光单元包括光路上造成的损失，都不会造成过高或过低读取聚光倍数。

以下参照附图说明样品台4的相关结构。图2和3显示了样品台4的内部结构图。图6a和6b分别显示图2和3中的样品台的平面图和透视图。图7a显示图6中所示的样品台中的载物片45的翻起状态的示意图。图7b是显示测试电池在图7a中的载物片45上的放置位置的放大图。

如图6a-7b所示，在样品台4上连接有载物片45，用于安装测试电池43。载物片45可在扣合于样品台4表面上的第一位置(图6b)和从样品台4表面翻起的第二位置(图7a)之间转换，从而，测试电池可在载物片处于第二位置时安装于载物片45的面对样品台4的表面上，并在载物片45扣合到样品台4的第二位置时安装于样品台4上。

另外，图6a所示的样品台的平面图中还示出了用于普通电池测试的载物台46的位置，从而，样品台4同时可用于普通电池测试系统中。如果用于非聚光测试的时候，只需调整样品台的位置，直接将样品台中普通测试载物台46对准光源1，将电池放于样品台表面普通测试载物台46的位置并移开聚光透镜21进行测试。样品台4还可包括真空泵接口50、冷却水循环接口51、电池负极引线出口48、样品台正极引线出口49、真空吸气孔53等。

当放置测试电池时，如图7a和7b所示，将测试电池正面朝上放置在已经被翻起的载物片45最上方的小方形方格47内，具体大小可根据电池大小调节。在小方格中设有接线柱61和导线62，引出后可连接电池性能测试系统6中的半导体参数仪，接线柱61可安装弹簧探针并在测试时扎在电池的主栅线位置，即电池的负极。

在放置好测试电池后，将载物片45转回与样品台4扣合。可看到图6a中样品台4处有两个端口，分别是：聚光测试的负极引线出口48，图7b中正方形方格中被测电池的四个角的位置设置有探针，其探针负极引线就是从这个口引出；样品台正电极端口49，其可分别用于普通测试和聚光测试，作为电池的正极(因为电池背面与样品台接触，电池背面为正电极)。引出后的导线与测试系统中的半导体参数仪相连接，用于测试电池性能的参数，最终测试的结果显示在电脑上。同时由于整体光路基本都在样品台4内部传输，所以测试人员不会直视到高倍聚光后的光斑，避免了对视力的损伤。

图8示出了聚光透镜支架的侧面示意图。透镜支架24包括带刻度的支杆25和位于支杆25上的可调节高度的透镜托架26，所述透镜托架26用于安放聚光透镜21。

根据图1和图2所示的实施例，本发明的太阳能电池聚光测试系统的测试过程如下：

按照顺序打开各个仪器的电源(光源、半导体参数仪、电脑等)，并将连接线、传输线、数据线一次接好，进行光源的预热，将聚光透镜水平摆放于光源出口处，并记录下聚光透镜支架上面的刻度的读数(刻度记录代表菲涅尔透镜的高度)，设为初值(以后应用此透镜只需要调整到读数位置同时对应看标准电池的读数，如果一样，说明光源系统稳定)；

通过光源控制器5调节标准光源1的功率来控制标准光源1的平行光的强度；

调节聚光透镜支架24的高度和/或聚光透镜21和平行光透镜22中的至少一个的焦距来设定聚光系统的聚光倍数，此时保证聚焦的光斑面积大于平行光透镜22的面积(聚焦光斑的面积增加仅减少聚光倍数，其他没有照射在平行光透镜上的面积对测试没有任何影响)；

可选用任意比例的平板分光镜42来控制反射与透射的比例，同时测定当前的聚光倍数。其中分光镜反射光对电池43进行测试，电池的背电极可有真空吸附同时加有散热片和水冷保持恒温，正负电极由导线导出，传输到测试系统中6的半导体参数仪对电池性能进行测试。测试信号由软件编译后输出到电脑被存储。

改变聚光透镜支架24的高度和/或聚光透镜21和平行光透镜22中的至少一个的焦距来改变聚光系统的聚光倍数，进行不同聚光倍数下的电池性能测试。

如上所述可知，根据本发明，提供了一种太阳能电池聚光测试系统和方法，其利用反射镜与透射镜增加了光从聚光单元到测试电池之间的光程，同时平板分光镜的作用使被电池反射回去的一部分光透过平板分光镜，照射在样品台的下表面，大大减少了二次反射对电池聚光测试的影响。

并且，根据本发明，整体的光路中，测试电池与标准电池分别位于分光镜的反射与透射的光路上，且照射在两块电池上的光强的不同只与分光镜的反射/透射比例有关，与之前所有光路的损失无关。因此可以利用标准电池即时地校准聚光倍数。

另外，根据本发明，经过平行光透镜透射过去的光都会在样品台内部经过多次反射最终照射在测试电池上，并且通过可翻转的载物片反向安装测试电池，使光可以由下往上照射在测试电池带有负电极的表面。因此，经过平行光透镜透射之后的光都在样品台内部，处于封闭环境中，而在平行光透镜之前的光路，几乎不会有光会被反射到人眼，这样就避免了测试人员直接观察高倍聚光下电池的风险，对测试人员视力起到了保护作用。

以上具体描述了本发明的示例实施例。本领域技术人员可根据需要对所描述的实施例进行各种变形。例如，如果不需要精确测定聚光倍数，可以不提供分光镜和标准电池。平行光透镜、第一反射镜、第二反射镜、测试电池和标准电池可以不安装于样品台上，而是分别通过不同的支撑结构支撑，只要能实现本发明预期的光路即可。聚光系统可不限于聚光透镜和平行光透镜，而是可以采用其它能够实现聚光并输出平行光的光学系统。因此，本发明不局限于所描述和图示的特定实施例。

Claims

1.一种太阳能电池聚光测试系统，包括：

光源，所述光源为太阳模拟光源；

2.根据权利要求1所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述聚光系统包括：

聚光透镜，所述聚光透镜布置成会聚由所述光源发出的所述模拟太阳光；

平行光透镜，所述平行光透镜布置成将由所述聚光透镜会聚的光转化为平行光并输出所述平行光；

其中，通过改变聚光透镜与平行光透镜中的至少一个的焦距和/或两者之间的距离来改变聚光系统的聚光倍数。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述聚光透镜和所述平行光透镜中的至少一个为变焦透镜。

4.根据权利要求2所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述聚光系统还包括位于聚光透镜和平行光透镜之间的孔径光阑，所述孔径光阑构造成能够根据测试电池的形状和大小相应地调节孔径光阑的孔径的形状和大小，从而使具有一定形状和大小的光斑照射到测试电池上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述第二反射镜为具有一定反射/透射比的分光镜，所述太阳能电池聚光测试系统还包括能够精确测定聚光倍数的标准电池，所述标准电池放置在相对于所述分光镜与测试电池对称的位置处，从而，测试电池接受被分光镜反射的光，标准电池接受透过分光镜的光；并且，标准电池也电连接到电池性能测试系统，其中，标准电池用于根据以下公式确定照射到测试电池的光的聚光倍数：

C＝I/I₀*X (1)

6.根据权利要求5所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述平行光透镜、第一反射镜、第二反射镜、测试电池和标准电池安装于样品台上，所述平行光透镜位于样品台的表面上，所述第一反射镜、第二反射镜和标准电池位于样品台内部，所述测试电池位于样品台的表面上与平行光透镜不同的位置处。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述标准电池还用于测定分光镜的反射/透射比，当需要测定所述分光镜的反射/透射比时，分别将标准电池放置于样品台上的测试电池位置和标准电池位置并电连接到电池性能测试系统，根据电池性能测试系统输出的在测试电池位置的标准电池的短路电流I₂与在标准电池位置的标准电池的短路电流I₁的比I₂/I₁来确定分光镜的反射/透射比X，即X＝I₂/I₁。

8.根据权利要求6所述的太阳能电池聚光测试系统，其中，所述样品台连接有载物片，用于安装测试电池，所述载物片可在扣合于样品台表面上的第一位置和从样品台表面翻起的第二位置之间转换，从而，测试电池可在载物片处于第二位置时安装于载物片的面对样品台的表面上，并在载物片扣合到样品台的第二位置时连接到样品台上。

9.根据权利要求2所述的太阳能电池聚光测试系统，还包括透镜支架，所述透镜支架包括带刻度的支杆和位于支杆上的可调节高度的透镜托架，所述透镜托架用于安放聚光透镜。

10.一种用于太阳能电池聚光测试的样品台，所述样品台用于安装平行光透镜、反射镜、分光镜、测试电池和标准电池，其中，所述平行光透镜位于样品台的表面上，所述反射镜、分光镜和标准电池位于样品台内部，所述测试电池位于样品台的表面上与平行光透镜不同的位置处，所述平行光透镜、反射镜、分光镜、测试电池和标准电池布置为使得：

反射镜以45度角接受由平行光透镜输出的光；

分光镜以45度角接受由第一反射镜反射的光；

11.一种太阳能电池聚光测试方法，包括以下步骤：

将第二反射镜布置成以45度角接受由第一反射镜反射的光；

12.根据权利要求11所述的太阳能电池聚光测试方法，其中，所述聚光系统包括聚光透镜和平行光透镜，采用聚光透镜会聚由光源发出的模拟太阳光，并采用平行光透镜将由聚光透镜会聚的光转化为平行光并输出；

其中，通过改变聚光透镜与平行光透镜中的至少一个的焦距和/或两者之间的距离来改变照射到测试电池的光的聚光倍数。

13.根据权利要求12所述的太阳能电池聚光测试方法，其中，所述聚光透镜和所述平行光透镜中的至少一个为变焦透镜。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的太阳能电池聚光测试方法，其中，将所述第二反射镜设置成具有一定反射/透射比的分光镜，所述太阳能电池聚光测试方法还包括采用标准电池精确测定聚光倍数的步骤，包括：

将标准电池电连接到电池性能测试系统；

根据以下公式确定照射到测试电池的光的聚光倍数：

C＝I/I₀*X (1)

15.根据权利要求14所述的太阳能电池聚光测试方法，还包括利用所述标准电池测定分光镜的反射/透射比的步骤，包括：

分别将标准电池放置于样品台上的测试电池位置和标准电池位置并电连接到电池性能测试系统，根据电池性能测试系统输出的在测试电池位置的标准电池的短路电流I₂与在标准电池位置的标准电池的短路电流I₁的比I₂/I₁来确定分光镜的反射/透射比X，即X＝I₂/I₁。