CN104065340A - 一种太阳电池片检测系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳电池片检测系统及测量方法，其系统包括依次连接的光源模块、控制电路模块、和计算机测试平台；还包括连接模块，连接模块包括光源连接部分、待测太阳电池连接部分及系统整体支撑部分；光源连接部分用于光源模块的固定，并使出射光达到要求的辐照均匀度，待测太阳电池连接部分，分别与太阳电池的正负电极相连，使控制电路模块既能作为负载消耗太阳电池产生的电能，又能作为电源向太阳电池供电，系统整体支撑部分用于使上述太阳电池片检测系统除计算机测试平台外的部分连接成一个整体；测量方法包括太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量三种测量组合的任一。本发明能实现快速准确检测太阳电池的电性能。

Description

一种太阳电池片检测系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及太阳电池检测领域，具体涉及一种太阳电池片检测系统及其检测方法。

背景技术

太阳电池检测在太阳电池的研发，生产和销售中都有重要作用，而电性能的测量结果是对太阳电池进行分类的标准，也是太阳电池进入销售领域定价的依据。

在太阳电池工业生产领域，通过太阳电池片检测系统对太阳电池进行电性能测试，并根据测试结果对太阳电池进行分类。工业用太阳电池片检测系统一般仅有IV曲线测试功能，少部分集成暗电流曲线测试功能，另外，在检测和研究太阳电池生产工艺时，也会用到Suns-Voc测试仪和光谱响应测试仪，但是这两种测试仪均为独立测试仪，且在工业现场达不到其使用和操作条件，仅在实验室内工艺研究等场合使用。

太阳电池的IV测试是指使用太阳电池片检测系统模拟太阳光，照射在待测太阳电池上，通过一定的电路来检测太阳电池的IV特性，并形成IV曲线。通过IV曲线，可以使用一定的算法进行开路电压Voc、短路电流Isc、最佳工作电压Vm、最佳工作电流Im、最大功率Pmax、填充因子FF、串联电阻Rs、并联电阻Rsh、电池效率η等参数的计算。

暗电流是指在没有光照的条件下，给PN结加反偏电压而产生的电流。暗电流曲线是指在太阳电池两极加上一系列不同的反偏电压，测量不同反偏电压下的暗电流值，该暗电流值随反偏电压的变化曲线即为暗电流曲线。

对太阳电池来说，暗电流包括反向饱和电流、薄层漏电流和体漏电流。对太阳电池的暗电流进行监控可以了解太阳电池生产工艺中的问题来源，从而进行改进，提高生产效率。

太阳电池的光谱响应是指单位辐射通量的不同波长的光照射在太阳电池上产生不同的短路电流随波长的变化关系，是表征太阳电池性能的一个重要参量。在实际应用中，太阳电池光谱响应的测定都是使用专用仪器，在同等条件下，仅改变光源的波长分布，测定不同波长下太阳电池的短路电流值，然后进行相应的处理，即可得到太阳电池的光谱响应，根据光谱响应、量子效率与波长三者之间的关系，即可计算得到太阳电池的量子效率随波长变化曲线。

高效、精确地检测太阳电池的电性能及光谱响应为改进太阳电池生产工艺、提高太阳电池生产效率创造了可能性。

对太阳电池来说，串联电阻Rs是一个非常重要的参数，严重影响了太阳电池的输出功率，因此对串联电阻Rs阻值的估算及测试的方法较多，但是德国夫琅禾费太阳能系统研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems）的D.Pysch等人对五种不同的计算方法进行了可靠性和稳健性分析（Pysch D, Mette A, Glunz S W. A review and comparison of different methods to determine the series resistance of solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91(18): 1698-1706.），得到的结果是：双光强法、明暗IV曲线对比法和Suns-Voc法测得的结果最具准确性和稳健性。

而上述三种准确性和稳健性较好的方法中双光强法是唯一在IEC标准中提及的Rs测量方法（IEC 60891-2009：Photovoltaic devices – Procedures for temperature and Irradiance corrections to measured I-V characteristics），但是在使用双光强法测Rs时，需要太阳电池片检测系统至少提供两次模拟太阳光谱和辐照度的均匀光照，并且每次照射的辐照度应该不同，这样就造成生产效率低下，因而没有在太阳电池工业生产中广泛应用。而明暗IV曲线对比方法也需要太阳电池片检测系统进行两次测试，分别测量得到太阳电池在有光照和在无光照环境下的IV曲线才能精确计算Rs，因此工作效率较低，没有在工业生产中推广应用。类似地，在传统太阳电池片检测系统中，要实现Suns-Voc法测量Rs，同样需要太阳电池片检测系统工作两次，第一次工作采集标准测试条件下IV曲线，第二次工作采集辐照度与开路电压随时间的变化曲线，因此也由于效率低下而没有应用于工业生产。

在实际工业生产中，考虑到生产效率和成本，使用最广泛的方法是开路电压点斜率方法，该方法只需要测量一次IV曲线即可根据IV曲线中开路电压点附近的IV曲线斜率计算得到串联电阻Rs，但是现有条件下，各种使用开路电压点斜率方法计算串联电阻Rs的太阳电池片检测系统均存在Rs测量精确度不足和稳定性不好的问题。

发明内容

本发明的目的是，提出一种新的太阳电池片检测系统，包含测试方案和测试装置，实现在太阳电池生产工业现场和实验室等场合快速准确检测太阳电池的电性能。

本发明的技术解决方案是：

一种太阳电池片检测系统包括依次连接的光源模块、控制电路模块、和计算机测试平台；其特殊之处在于：还包括连接模块，所述连接模块包括光源连接部分、待测太阳电池连接部分及系统整体支撑部分；

所述光源连接部分用于光源模块的固定，并使出射光达到要求的辐照均匀度，

待测太阳电池连接部分，分别与太阳电池的正负电极相连，使控制电路模块既能作为负载消耗太阳电池产生的电能，又能作为电源向太阳电池供电，

系统整体支撑部分用于使上述太阳电池片检测系统除计算机测试平台外的部分连接成一个整体。

上述光源模块包括光源，对应的供电控制电路和参考电池部分。

上述控制电路模块包括数据采集部分、电子负载部分、与光源模块相连的控制部分，以及与计算机测试平台的通信部分，其接收计算机测试平台的指令，根据指令做出相应的测试动作，采集测试结果数据，并将测试结果数据传输至计算机测试平台。

上述计算机测试平台包括计算机硬件、计算机操作系统、存储设备以及太阳电池片检测系统的控制软件；其为操作人员提供操作平台，控制软件可根据操作人员的不同测试目的，向控制电路模块传送不同测试指令，并接收控制电路模块传送的测试结果数据，并以图像和文字的形式显示出来，并可保存结果至存储设备。

上述测试结果数据包括太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量组合中的任一。

上述太阳电池电性能参数测量由太阳电池IV曲线测量和Suns-Voc测量共同构成。

一种利用上述太阳电池片检测系统的测量方法，其特殊之处在于，该测量方法包括太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量三种测量组合的任一。

上述太阳电池电性能参数测量具体是：

光源模块在控制电路模块的控制下，根据计算机测试平台的指令，将光源通电一段时间后关闭，光源通电过程即为IV测试时间，光源从接收到断电指令到光源两端电压为零的过程即为Suns-Voc测试时间；

在光源打开后，电子负载部分与数据采集部分开始工作，同步采集一系列太阳电池的电压值和电流值，即为IV测试；在光源断电后，通过Suns-Voc测试时间内参考电池部分的电流值大小与其在标准测试条件下电流大小对比即可换算成光源辐照度；

每次测试完成后，控制电路模块都将上述两个过程的测试数据传输至计算机测试平台，即可显示出所测太阳电池的IV曲线和Suns-Voc曲线。

上述太阳电池暗电流曲线测量具体是：

暗电流测试工作在暗特性条件下，即该测试过程中太阳电池表面无光照，通过控制电路模块给被待测太阳电池施加由12V到0递减的反向偏置电压，不同的反向偏置电压会在回路中产生不同的电流，通过控制电路模块的数据采集部分将改电流值采集并传输至计算机测试平台，显示出暗电流曲线。

上述太阳电池光谱响应测量具体是：

通过控制电路部分控制光源输出一组不同波长的光，电子负载部分和数据采集部分同时工作来采集太阳电池短路电流值，传输至计算机测试平台，经过计算即可得到待测太阳电池的光谱响应曲线和量子效率曲线。

本发明的优点在于：

（1）改进太阳电池片检测系统，集成Suns-Voc法测串联电阻Rs，使太阳电池的串联电阻Rs测试更精确，并且不影响检测效率，既可用于太阳电池工艺研究，也可直接用于工业生产。

（2）改进太阳电池片检测系统，在传统单片太阳电池片检测系统的基础上，集成暗电流曲线测试功能，通过太阳电池的暗电流曲线与标准曲线对比，更全面地反映太阳电池的性能，从而进行分类。

（3）改进太阳电池片检测系统，在传统单片太阳电池片检测系统的基础上，集成光谱响应测试功能，在不影响检测效率的同时，通过光谱响应和量子效率曲线，能更多地反映待测太阳电池的性能，从而进行分类。

附图说明

图1为太阳电池电性能参数测量示意图，其中1为Suns-Voc曲线，2为IV曲线；

图2为太阳电池暗电流曲线测量示意图。

具体实施方式

对于太阳电池片检测领域研究人员，只要知道了本专利所述的测试思路，再在数据处理等细节地方加以研究就很容易做出高精度实物。

本发明通过改进常规工业用单片太阳电池片检测系统的硬件结构和电性能参数计算方法，在一个太阳电池片检测系统中集成太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量功能，并且三种测量可以根据需要在计算机测试平台上进行设置，实现任意组合，即可以在一次测试中仅进行太阳电池电性能的精确测量，也可以在一次测试中实现上述三种测量，还可以在一次测试中实现任意两种测量的结合。

本发明所述太阳电池片检测系统包含光源模块、控制电路模块、计算机测试平台和连接模块四个部分。

其中，光源模块主要包含光源及对应的供电控制电路，和参考电池部分，其作用是，在控制电路模块控制下，为整个系统提供符合一定光谱分布和辐照度的光照条件，其中参考电池部分的作用是接收光源的照射，通过其产生的电流的大小反映光源辐照度的大小。

控制电路模块主要包含数据采集部分、电子负载部分、与光源模块相连的控制部分，以及与计算机测试平台的通信部分等，其作用是接收计算机测试平台的指令，根据指令做出相应的测试动作，采集测试结果数据，并将测试结果数据传输至计算机测试平台。

计算机测试平台主要包含计算机硬件、计算机操作系统以及太阳电池片检测系统的控制软件等部分。其作用是为操作人员提供操作平台，控制软件可根据操作人员的不同测试目的，向控制电路模块传送不同测试指令，并接收控制电路模块传送的测试结果数据，并以图像和文字的形式显示出来，并可保存结果至计算机的存储设备。

连接模块主要包含光源连接部分、待测太阳电池连接部分及系统整体支撑部分等，其中，光源连接部分作用是使光源模块固定，并使出射光达到要求的辐照均匀度，待测太阳电池连接部分的作用是在不影响太阳电池接收光源模块照射的前提下，分别与太阳电池的正负电极相连，使控制电路模块既能作为负载消耗太阳电池产生的电能，又能作为电源向太阳电池供电。系统整体支撑部分作用是使上述太阳电池片检测系统除计算机测试平台外的部分连接成一个整体。

通过上述太阳电池片检测系统，可以实现太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量。其中，太阳电池IV曲线测量和Suns-Voc测量共同构成太阳电池电性能参数测量。

对于上述三种测量，其具体实施方式是：

（1）太阳电池电性能参数测量

该过程中，光源模块在控制电路模块的控制下，根据计算机测试平台的指令，将光源通电一段时间后关闭，光源通电过程即为IV测试时间，光源从接收到断电指令到光源两端电压为零的过程即为Suns-Voc测试时间。在光源打开后，电子负载部分与数据采集部分开始工作，同步采集一系列太阳电池的电压值和电流值，即为IV测试。由于太阳电池的光照特性，即短路电流大小与接收光照的辐照度成正比例关系，在光源断电后，通过Suns-Voc测试时间内参考电池部分的电流值大小与其在标准测试条件下电流大小对比即可换算成光源辐照度。每次测试完成后，控制电路模块都将上述两个过程的测试数据传输至计算机测试平台，即可显示出所测太阳电池的IV曲线和Suns-Voc曲线，参见图1，其中1为Suns-Voc曲线，2为IV曲线。

（2）太阳电池暗电流曲线测量

参见图2，暗电流测试工作在暗特性条件下，即该测试过程中太阳电池表面无光照，通过控制电路模块给被待测太阳电池施加由12V到0递减的反向偏置电压，不同的反向偏置电压会在回路中产生不同的电流，通过控制电路模块的数据采集部分将改电流值采集并传输至计算机测试平台，显示出暗电流曲线。

（3）太阳电池光谱响应测量

该过程中，通过控制电路部分控制光源输出一组不同波长的光，电子负载部分和数据采集部分同时工作来采集太阳电池短路电流值，传输至计算机测试平台，经过计算即可得到待测太阳电池的光谱响应曲线和量子效率曲线。

Claims (10)

1.一种太阳电池片检测系统包括依次连接的光源模块、控制电路模块、和计算机测试平台；其特征在于：还包括连接模块，所述连接模块包括光源连接部分、待测太阳电池连接部分及系统整体支撑部分；

所述光源连接部分用于光源模块的固定，并使出射光达到要求的辐照均匀度，

待测太阳电池连接部分，分别与太阳电池的正负电极相连，使控制电路模块既能作为负载消耗太阳电池产生的电能，又能作为电源向太阳电池供电，

系统整体支撑部分用于使上述太阳电池片检测系统除计算机测试平台外的部分连接成一个整体。

2.根据权利要求1所述太阳电池片检测系统，其特征在于：所述光源模块包括光源，对应的供电控制电路和参考电池部分。

3.根据权利要求2所述太阳电池片检测系统，其特征在于：所述控制电路模块包括数据采集部分、电子负载部分、与光源模块相连的控制部分，以及与计算机测试平台的通信部分，其接收计算机测试平台的指令，根据指令做出相应的测试动作，采集测试结果数据，并将测试结果数据传输至计算机测试平台。

4.根据权利要求3所述太阳电池片检测系统，其特征在于：所述计算机测试平台包括计算机硬件、计算机操作系统、存储设备以及太阳电池片检测系统的控制软件；其为操作人员提供操作平台，控制软件可根据操作人员的不同测试目的，向控制电路模块传送不同测试指令，并接收控制电路模块传送的测试结果数据，并以图像和文字的形式显示出来，并可保存结果至存储设备。

5.根据权利要求4所述太阳电池片检测系统，其特征在于：所述测试结果数据包括太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量组合中的任一。

6.根据权利要求5所述太阳电池片检测系统，其特征在于：所述太阳电池电性能参数测量由太阳电池IV曲线测量和Suns-Voc测量共同构成。

7.一种利用权利要求4所述太阳电池片检测系统的测量方法，其特征在于，该测量方法包括太阳电池电性能参数测量、暗电流曲线测量和光谱响应测量三种测量组合的任一。

8.根据权利要求7所述太阳电池片检测系统的测量方法，其特征在于，

所述太阳电池电性能参数测量具体是：

光源模块在控制电路模块的控制下，根据计算机测试平台的指令，将光源通电一段时间后关闭，光源通电过程即为IV测试时间，光源从接收到断电指令到光源两端电压为零的过程即为Suns-Voc测试时间；

在光源打开后，电子负载部分与数据采集部分开始工作，同步采集一系列太阳电池的电压值和电流值，即为IV测试；在光源断电后，通过Suns-Voc测试时间内参考电池部分的电流值大小与其在标准测试条件下电流大小对比即可换算成光源辐照度；

每次测试完成后，控制电路模块都将上述两个过程的测试数据传输至计算机测试平台，即可显示出所测太阳电池的IV曲线和Suns-Voc曲线。

9.根据权利要求7所述太阳电池片检测系统的测量方法，其特征在于，

所述太阳电池暗电流曲线测量具体是：

暗电流测试工作在暗特性条件下，即该测试过程中太阳电池表面无光照，通过控制电路模块给被待测太阳电池施加由12V到0递减的反向偏置电压，不同的反向偏置电压会在回路中产生不同的电流，通过控制电路模块的数据采集部分将该电流值采集并传输至计算机测试平台，显示出暗电流曲线。

10.根据权利要求7所述太阳电池片检测系统的测量方法，其特征在于，所述太阳电池光谱响应测量具体是：

通过控制电路部分控制光源输出一组不同波长的光，电子负载部分和数据采集部分同时工作来采集太阳电池短路电流值，传输至计算机测试平台，经过计算即可得到待测太阳电池的光谱响应曲线和量子效率曲线。