CN103149521A - 一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法，涉及太阳能电池的测试。所述装置设白光LED光源、被测太阳能电池、恒温夹具、直流电源和瞬态热阻测试仪；直流电源与白光LED光源连接；被测太阳能电池固定在恒温夹具表面并与负载电阻串联，瞬态热阻测试仪正负极与被测太阳能电池正负极相接。将装置放在黑暗环境中，调节直流电源输出电流以调节白光LED的辐射照度；结温测试；热功率计算；将结温和热功率代入公式即得电池热阻。利用白光LED作为电池的激发光源，排除红外光对电池结温的影响，在不同辐射照度下用瞬态热阻测试仪测量得到电池的结温，而且在考虑光子吸收和电池电能消耗两方面基础上，正确计算电池的热功率，得热阻。

Description

一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池的测试，特别是涉及一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法。

背景技术

太阳能电池在实际应用中，其效率会随着结温的升高而降低（[1]D.Meneses-Rodríguez,P.P.Horley，J.González-Hernández,Y.V.Vorobiev，and P.N.Gorley，"Photovoltaic solar cellsperformance at elevated temperatures,"Solar Energy，2005，78（2）：243-250），有效地测量其结温和热阻对于改善电池的散热，提高效率有重要的意义。热阻的定义如下：

$R_{\mathrm{JX}}=\frac{T_J-T_X}{P_T}---\left(1\right)$

R_JX是PN结的热阻(K/W或°C/W)，T_J是结温(°C)，T_X是参考点温度(°C)，通常是器件的热沉或者环境温度，P_T是热功率(W)。由定义可知，要测得太阳能电池的热阻，就要准确测得其结温并且计算出耗散在器件上的热功率。

目前报导的结温测试方法，一是将太阳能电池看作普通二极管，在无光照情况下对其两端加正向电流，此时电功率转化为电池的热功率，一段时间后电池达到热平衡状态，测量此时电池的结温([2]N.Y.Wang,S.Y.Chuang,T.L.Chou,Z.H.Shih,H.F.Hong,and K.N.Chiang,"Transient thermal analysis of high-concentration photovoltaic cell module subjected tocoupled thermal and power cycling test conditions,"in Proc.12th Int.Thermal andThermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conf.,Las Vegas,2010：1-6)。但是，在无光照情况下测试电池结温与其实际在光照情况下的工作状态不符合，因为太阳光照下光的吸收及红外波段对太阳能电池会产生加热效应。也有文献报道用红外热像仪测得电池的表面温度代替其结温([3]T.L.Chou,Z.H.Shih,H.F.Hong,C.N.Han,and K.N.Chiang,"Investigation of the thermal performance of high-concentration photovoltaic solar cell package,"in2007Proc.Int.Electronic Materials and Packaging Conf.,Daejeon,131-136.)，结果存在比较大的误差。文献[4]（[4]S.H.Jang,and M.W.Shin,"Thermal characterization ofjunction in solar cellpackages,"IEEE Electron Device Letter.,2010，31（7）：743-745）采用太阳光模拟器激发太阳能电池测其热阻，因太阳光中的红外波段会对电池有加热效应，这样使得热功率计算十分困难，同时文中也未具体介绍热功率的计算过程。

关于电池热功率的计算问题，目前报道的方法是将电池吸收的光功率减去电池转化后的电功率（参见文献[3]）。但是，这样计算得到的热功率存在较大的误差，首先没有具体分析电池吸收的光功率来源，太阳能电池只能吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子，将等于其禁带宽度的光子能量转化为电能，大于其禁带宽度的部分能量转化为热能，而红外波段对电池的加热效应使得吸收光功率的计算变得十分困难；其次，在光能转化为电能的过程中也有部分能量消耗在电池内部转化为热能。

目前，PN结半导体器件的结温测量主要是用瞬态热阻测试仪，具体过程是测量PN结半导体器件的瞬态电压曲线，根据在恒定电流下PN结半导体结温与正向电压的线性关系，即

ΔV＝K×ΔT        （2）

其中，ΔV是PN结正向电压变化量，ΔT是结温变化量，K是常数也被称作温度敏感系数([5]S.Yoon,and V.Garboμshian,"Reduced temperature dependence of high-concentration photovoltaicsolar cell open-circuit voltage(Voc)at high concentration levels,"IEEE Photovoltaic EnergyConversion,1994，2：1500-1504)。由此得到PN结半导体器件的瞬态结温曲线，结合结构函数的理论得到器件内部热传导路径上各层材料的热阻。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法。

所述太阳能电池热阻测试装置设有白光LED光源、被测太阳能电池、恒温夹具、直流电源、瞬态热阻测试仪和负载电阻R_L；所述直流电源与白光LED光源连接；被测太阳能电池固定在恒温夹具表面上并与负载电阻R_L串联，瞬态热阻测试仪的正负极分别与被测太阳能电池正负极相接。

所述恒温夹具可采用中国电子科技集团公司第十三研究所的MC8861型恒温夹具控制仪，直流电源可采用YOKOGAWA的GS610，瞬态热阻测试仪可采用匈牙利MicRed公司的T3ster测试仪。

所述太阳能电池热阻测试方法，包括以下步骤：

1）将太阳能电池热阻测试装置放在黑暗环境中，打开直流电源，调节直流电源的输出电流以调节白光LED的辐射照度；

2）结温测试，具体方法如下：

2.1）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，再调节恒温夹具的温度分别处于几个不同的温度点，同时用瞬态热阻测试仪分别测量太阳能电池的输出电压，然后根据公式（2）确定温度敏感系数K，

ΔV＝K×ΔT        （2）

其中，ΔV是PN结正向电压变化量，ΔT是结温变化量，K是常数也被称作温度敏感系数；

在步骤2.1）中，所述调节恒温夹具的温度分别处于几个不同的温度点前，可先调节太阳能电池输出电流在5mA。

2.2）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，使得太阳能电池输出电流超过50mA，太阳能电池结温会随激发时间的增加逐渐升高，当达到热平衡时，结温基本保持不变，此时将辐射照度切换到小辐射照度，同时瞬态热阻测试仪测量太阳能电池的输出电压，利用输出电压和结温的线性关系即可得到此时太阳能电池的结温；

在步骤2.2）中，所述达到热平衡的时间为光照30min后；所述将辐射照度切换到小辐射照度的输出电流可为5mA，切换过程的时间可小于1μs。

3）热功率的计算

太阳能电池受到光辐射后，只能吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子，超出其禁带宽度的光子能量在电池内部转化为热能，将能量等于其禁带宽度的光子能量转化成电能输出，其中一部分消耗在负载上，另外一部分转化为电池的热能，电池热功率的计算分为两部分：

3.1）超出其禁带宽度的光子能量转化为热能，相应的热功率为：

$P_{T1}=S\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\left[(1-\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right))E\left(\mathrm{\λ}\right)\right]\frac{(h\frac{c}{\mathrm{\λ}}-E_g\left(\mathrm{eV}\right))}{h\frac{c}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中S表示电池的面积，ρ(λ)表示电池的光谱反射率，E(λ)表示光源对应于波长为λ时的辐射照度，对于白光LED，其波长范围是380～780nm，Eg表示硅的禁带宽度（1.12eV），c表示光速，h表示普朗克常量，(hc/λ-Eg(eV))表示波长为λ的光子超出硅禁带宽度的能量；

3.2）电池输出的电能一部分转化为电池的热能，太阳能电池等效为一个电流源与一个并联电阻、二极管以及一个串联电阻，其输出电流和输出电压的关系如下：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_d-I_{\mathrm{sh}}$

$=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \frac{q(V+{\mathrm{IR}}_s)}{\mathrm{nkT}}-1]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{\mathrm{sh}}}---\left(4\right)$

其中I_ph表示电池的光电流，I₀表示反向饱和电流，n表示理想因子，k表示波尔兹曼常数，T表示电池的绝对温度，q表示电子电荷，R_s表示串联电阻，R_sh表示并联电阻，I表示输出电流，V表示输出电压，通常电池的串联电阻都远远小于其并联电阻，因此光电流I_ph就可以通过测量短路电流I_sc得到，即

I_ph≈I_sc        （5）

考虑到电池两端外加负载电阻RL，此时由电功率转换而来的热功率即为

P_T2＝V×I_ph-V²/R_L        （6）

所以，总的热功率P_T＝P_T1+P_T2；

4）将已测得的结温和计算得到的热功率代入公式（1）即可得到电池的热阻。

本发明具有如下优点：

1、太阳能电池热阻测试中用白光LED光源作为激发光源，排除了红外光对太阳能电池结温的影响，而且通过直流源控制的白光LED光源，容易实现不同辐照度的激发光。

2、分析了太阳能电池内部的热效应，在考虑了光子吸收和太阳能电池电能消耗两方面基础上，将太阳能电池的热功率分为两部分来计算，一部分是超出硅禁带宽度的光子能量转化为热能，另一部分是太阳能电池转化的电能有部分消耗在太阳能电池中转化为热能，如此准确计算了其热功率，得到的太阳能电池的热阻更为准确可靠。

本发明利用白光LED作为电池的激发光源，排除了红外光对电池结温的影响，在不同辐射照度下用瞬态热阻测试仪测量得到了电池的结温，而且在考虑了光子吸收和电池电能消耗两方面基础上，正确计算了电池的热功率，得到了热阻。

附图说明

图1为本发明的太阳能电池等效电路图。

图2为本发明的系统结构图。在图2中，1-白光LED光源，2-被测太阳能电池，3-恒温夹具，4-直流电源，5-瞬态热阻测试仪，6-负载电阻R_L。

图3为本发明的太阳能电池结温随辐射照度变化图。在图3中，横坐标为白光LED光源1的辐射照度Incident Light Irradiance(W/m²)，纵坐标为电池的结温Temperature(℃)。

图4为本发明的太阳能电池热阻结构图。在图4中，横坐标为热阻R_th(K/W)，纵坐标为热容C_th(W²s/K²)；曲线1为辐射照度为89.6W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线2为辐射照度为109.2W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线3为辐射照度为127.9W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线4为辐射照度为145.7W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线5为辐射照度为162.7W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线6为辐射照度为178.9W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数，曲线7为辐射照度为194.3W/m²的白光激发下，被测太阳能电池2的热阻积分结构函数。

图5为本发明的太阳能电池热阻随辐射照度变化图。在图5中，横坐标为白光LED光源1的辐射照度Incident Light Irradiance(W/m²)，纵坐标为电池的热阻Thermal Resistance(K/W)。

具体实施方式

参见图2，所述太阳能电池热阻测试装置设有白光LED光源1、被测太阳能电池2、恒温夹具3、直流电源4、瞬态热阻测试仪5和负载电阻R_L6；所述直流电源4与白光LED光源1连接；被测太阳能电池2固定在恒温夹具3表面上并与负载电阻R_L6串联，瞬态热阻测试仪5的正负极分别与被测太阳能电池2正负极相接。

所述恒温夹具3可采用中国电子科技集团公司第十三研究所的MC8861型恒温夹具控制仪，直流电源4可采用YOKOGAWA的GS610，瞬态热阻测试仪5可采用匈牙利MicRed公司的T3ster测试仪。

所述太阳能电池热阻测试方法，包括以下步骤：

1）将太阳能电池热阻测试装置放在黑暗环境中，打开直流电源4，调节直流电源4的输出电流以调节白光LED的辐射照度；

2）结温测试，具体方法如下：

2.1）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，使得太阳能电池输出电流在5mA左右，再调节恒温夹具3的温度，使其分别处于几个不同的温度点，同时用瞬态热阻测试仪分别测量太阳能电池的输出电压，由此根据公式（2）确定温度敏感系数K；

2.2）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，使得太阳能电池输出电流超过50mA，太阳能电池结温会随激发时间的增加逐渐升高，当达到热平衡时（一般光照30min后），结温基本保持不变，此时将辐射照度快速切换到小辐射照度(输出电流在5mA左右)(此切换过程时间非常短（小于1μs），因此认为其结温在此过程中不变)，同时瞬态热阻测试仪5测量太阳能电池的输出电压，利用输出电压和结温的线性关系即可得到此时太阳能电池的结温。

3）热功率的计算

太阳能电池受到光辐射后，只能吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子，超出其禁带宽度的光子能量在电池内部转化为热能，将能量等于其禁带宽度的光子能量转化成电能输出，其中一部分消耗在负载上，另外一部分转化为电池的热能。因此电池热功率的计算分为两部分：

3.1超出其禁带宽度的光子能量转化为热能

该部分的热功率即为：

$P_{T1}=S\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\left[(1-\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right))E\left(\mathrm{\λ}\right)\right]\frac{(h\frac{c}{\mathrm{\λ}}-E_g\left(\mathrm{eV}\right))}{h\frac{c}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中S表示电池的面积，ρ(λ)表示电池的光谱反射率，E(λ)表示光源对应于波长为λ时的辐射照度，对于白光LED，其波长范围是380～780nm，Eg表示硅的禁带宽度（1.12eV），c表示光速，h表示普朗克常量，(hc/λ-Eg(eV))表示波长为λ的光子超出硅禁带宽度的能量。

3.2电池输出的电能一部分转化为电池的热能

如图1所示，太阳能电池可以等效为一个电流源与一个并联电阻、二极管以及一个串联电阻，其输出电流和输出电压的关系如下：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_d-I_{\mathrm{sh}}$

$=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \frac{q(V+{\mathrm{IR}}_s)}{\mathrm{nkT}}-1]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{\mathrm{sh}}}---\left(4\right)$

其中I_ph表示电池的光电流，I₀表示反向饱和电流，n表示理想因子，k表示波尔兹曼常数，T表示电池的绝对温度，q表示电子电荷，R_s表示串联电阻，R_sh表示并联电阻，I表示输出电流，V表示输出电压。通常电池的串联电阻都远远小于其并联电阻，因此光电流I_ph就可以通过测量短路电流I_sc得到，即

I_ph≈I_sc        （5）

考虑到电池两端外加负载电阻R_L6，此时由电功率转换而来的热功率即为

P_T2＝V×I_ph-V²/R_L       （6）

所以，总的热功率p_T＝P_T1+P_T2。

在图2中，直流电源4与白光LED光源1连接，用于向白光LED光源1提供直流电；被测太阳能电池2固定在恒温夹具3上，与负载电阻R_L6串联，由白光LED光源1激发被测太阳能电池2，使其产生光电效应；瞬态热阻测试仪5的正负极分别与被测太阳能电池2正负极相接，对电池的输出电压进行测试以得到电池的结温。

(1)首先用辐射照度较小（22.0W/m²）的白光LED光源1激发固定在恒温夹具3表面上的太阳能电池，调节恒温夹具3的温度，依次为30℃，40℃，50℃，相应的电池结温分别为30℃，40℃，50℃，同时瞬态热阻测试仪5分别测量电池的输出电压，由此确定温度敏感系数K。

(2)调节直流电源，使白光LED光源1产生大辐射照度（89.6~194.3W/m²），激发固定在恒温夹具3表面上的被测太阳能电池2，电池结温随激发时间增加逐渐升高，当达到热平衡时，结温基本保持不变，此时将辐射照度快速切换到小辐射照度(22.0W/m²）(此切换过程时间非常短（小于1μs），因此认为其结温在此过程中不变)，同时瞬态热阻测试仪5测量电池的输出电压，利用输出电压和结温的线性关系即可得到此时电池的结温，见图3。

(3)根据上述发明内容的公式(3)和公式(6)，计算电池的热功率，具体结果如表1所示。

表1

(4)根据上述背景技术的公式(1)得到电池的热阻，见图4和图5。在图4中，竖直虚线左侧的结构函数表示被测太阳能电池2的热阻。图5为被测太阳能电池2的热阻随辐射照度的变化图，由图中可见，随着辐射照度的增加，被测太阳能电池2热阻逐渐降低，说明其导热能力增加，这与其热导率随辐射照度增加而增大的实验结果相符合（参见文献[6]）。

Claims (4)

1.一种太阳能电池热阻测试装置，其特征在于设有白光LED光源、被测太阳能电池、恒温夹具、直流电源、瞬态热阻测试仪和负载电阻；所述直流电源与白光LED光源连接；被测太阳能电池固定在恒温夹具表面上并与负载电阻串联，瞬态热阻测试仪的正负极分别与被测太阳能电池正负极相接。

2.太阳能电池热阻的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将太阳能电池热阻测试装置放在黑暗环境中，打开直流电源，调节直流电源的输出电流以调节白光LED的辐射照度；

2）结温测试，具体方法如下：

2.1）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，再调节恒温夹具的温度分别处于几个不同的温度点，同时用瞬态热阻测试仪分别测量太阳能电池的输出电压，然后根据公式（2）确定温度敏感系数K，

ΔV＝K×ΔT        （2）

其中，ΔV是PN结正向电压变化量，ΔT是结温变化量，K是常数也被称作温度敏感系数；

2.2）调节照射到太阳能电池上的白光LED的辐射照度，使得太阳能电池输出电流超过50mA，太阳能电池结温会随激发时间的增加逐渐升高，当达到热平衡时，结温基本保持不变，此时将辐射照度切换到小辐射照度，同时瞬态热阻测试仪测量太阳能电池的输出电压，利用输出电压和结温的线性关系即可得到此时太阳能电池的结温；

3）热功率的计算

太阳能电池受到光辐射后，只能吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子，超出其禁带宽度的光子能量在电池内部转化为热能，将能量等于其禁带宽度的光子能量转化成电能输出，其中一部分消耗在负载上，另外一部分转化为电池的热能，电池热功率的计算分为两部分：

3.1）超出其禁带宽度的光子能量转化为热能，相应的热功率为：

$P_{T1}=S\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\left[(1-\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right))E\left(\mathrm{\λ}\right)\right]\frac{(h\frac{c}{\mathrm{\λ}}-E_g\left(\mathrm{eV}\right))}{h\frac{c}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中S表示电池的面积，ρ(λ)表示电池的光谱反射率，E(λ)表示光源对应于波长为λ时的辐射照度，对于白光LED，其波长范围是380～780nm，Eg表示硅的禁带宽度，c表示光速，h表示普朗克常量，(hc/λ-Eg(eV))表示波长为λ的光子超出硅禁带宽度的能量；

3.2）电池输出的电能一部分转化为电池的热能，太阳能电池等效为一个电流源与一个并联电阻、二极管以及一个串联电阻，其输出电流和输出电压的关系如下：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_d-I_{\mathrm{sh}}$

$=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \frac{q(V+{\mathrm{IR}}_s)}{\mathrm{nkT}}-1]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{\mathrm{sh}}}---\left(4\right)$

其中I_ph表示电池的光电流，I₀表示反向饱和电流，n表示理想因子，k表示波尔兹曼常数，T表示电池的绝对温度，q表示电子电荷，R_s表示串联电阻，R_sh表示并联电阻，I表示输出电流，V表示输出电压，通常电池的串联电阻都远远小于其并联电阻，因此光电流I_ph就可以通过测量短路电流I_sc得到，即

I_ph≈I_sc        （5）

考虑到电池两端外加负载电阻R_L，此时由电功率转换而来的热功率即为

P_T2＝V×I_ph-V²/R_L        （6）

所以，总的热功率P_T＝P_T1+P_T2；

4）将已测得的结温和计算得到的热功率代入公式（1）即可得到电池的热阻。

3.如权利要求2所述太阳能电池热阻的测试方法，其特征在于在步骤2.1）中，所述调节恒温夹具的温度分别处于几个不同的温度点前，先调节太阳能电池输出电流在5mA。

4.如权利要求2所述太阳能电池热阻的测试方法，其特征在于在步骤2.2）中，所述达到热平衡的时间为光照30min后；所述将辐射照度切换到小辐射照度的输出电流为5mA，切换过程的时间小于1μs。

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