CN106603008B - 一种太阳电池测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池测试系统及其方法，包括电池槽模块、承载位移平台和承载位移平台架，所述电池槽模块设置在承载位移平台上，所述承载位移平台设置在承载位移平台架上，通过X向传动轴及X向传动轴上的第一步进电机控制在X轴方向水平移动，所述电池槽模块上开设有多组电池放置槽，每组电池放置槽内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头连接，每组电极引脚公头阵列设置在承载位移平台一侧，所述承载位移平台架设置有舵机装置，所述舵机装置上设置有与电极引脚公头相互配合插接的测试连接母口，所述测试连接母口与数字源表连接进行电池测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池测试领域，具体涉及一种太阳电池测试系统及其方法。
背景技术
在太阳电池测试过程中，需要人工守护对每个电池逐一测量。而在科研工作中，制备出大量的测试样品，太阳电池样品数量经常超过100个，科研人员需要花费大量的时间和精力来测量电池的效率，这种测量设备缺陷极大降低了电池研发效率，消耗科研人员的体力和脑力。此外，由于人为因素的干扰，测试参数容易更改等，从而造成测试结果不具科学性与系统性。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种太阳电池测试系统及其方法，解决对太阳电池无法批量化、自动化、模块化测试，导致测试效率，浪费科研工作者的体力和时间，无法获得充分可靠的实验数据的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种太阳电池测试系统，包括电池槽模块、承载位移平台和承载位移平台架，所述电池槽模块设置在承载位移平台上，所述承载位移平台设置在承载位移平台架上，通过X向传动轴及X向传动轴上的第一步进电机控制在X轴方向水平移动，所述电池槽模块上开设有多组电池放置槽，每组电池放置槽内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头连接，每组电极引脚公头阵列设置在承载位移平台一侧，所述承载位移平台架设置有舵机装置，所述舵机装置上设置有与电极引脚公头相互配合插接的测试连接母口，所述测试连接母口与数字源表连接进行电池测试。电极引脚公头与测试连接母口对接进行电池测试，只需要微处理器控制承载位移平台和舵机装置就能实现不同电池组测试对接，Y轴水平移动平台和Z轴升降平台只负责整体太阳电池测试系统Y轴和Z轴移动，便于测试电池与测试光源对应。
进一步的，所述承载位移平台架下方设置有Y轴水平移动平台，所述Y轴水平移动平台设置在Y轴水平移动平台架上，通过Y向传动轴及Y向传动轴上的第二步进电机控制在Y轴方向水平移动。
进一步的，所述Y轴水平移动平台架下方设置Z轴升降平台，所述Z轴升降平台下方连接有铰接剪叉升降架，所述铰接剪叉升降架设置在底座上，所述铰接剪叉升降架上方两个剪叉架通过Z向传动轴连接，所述Z向传动轴上设置有第三步进电机控制转动。
进一步的，所述电池槽模块上设置有固定太阳电池的顶部压板。
进一步的，所述承载位移平台上设置有位置传感器，通过位置传感器实现承载位移平台在X向传动轴机械零点时，舵机装置上的测试连接母口与承载位移平台上第一列的电极引脚公头精确对准。
进一步的，所述舵机装置包括舵机、舵机安装架、支撑滑板和滑板，所述支撑滑板安装在舵机安装架上，所述滑板通过滑槽安装在支撑滑板上带动测试连接母口水平移动，所述舵机通过舵机转轴安装在支撑滑板上，所述舵机转轴端头设置有连杆装置，所述舵机通过连杆装置带动滑板水平移动。
进一步的，所述太阳电池测试系统还包括计算机和微处理器，所述计算机分别与数字源表和微处理器控制连接，所述数字源表将电池扫描数据上传给计算机分析保存，所述微处理器分别与第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和舵机控制连接。
本发明通过下述另一技术方案实现：
一种太阳电池测试系统的测试方法，包括步骤：
(1)根据对太阳电池在测试量需求，对电池槽模块上的电池放置槽布置数量阵列化设置；
(2)根据不同电池尺寸的样品，设置对应尺寸的电池放置槽；
(3)将测试电池放置在电池槽模块上电池放置槽内，使用顶部压板固定，每组电池放置槽内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头连接，每组电极引脚公头阵列设置在承载位移平台一侧，通过舵机装置上设置的测试连接母口控制离合，使测试电极与数字源表断开或连接；
(4)使每个子电池电极输出对应两个电极连接在数字源表上，实现对单个子电池的I-V曲线扫描，扫描数据同步上传到计算机上。
进一步的，还包括步骤：
(5)在位置传感器的辅助下实现定位，通过计算机给微处理器信号，控制步进电机，实现XYZ三个方向的位移，利用承载位移平台移动阵列中要测试的一组太阳电池电极引脚公头，数字源表对要测试的一组太阳电池进行测试，一组太阳电池测试完成后，计算机通过微处理器控制承载位移平台上下一组太阳电池对应的电极引脚公头与测试连接母口对准，驱动舵机装置使测试连接母口连接该组电池的电极引脚公头，从而实现不同列电池的测量。
进一步的，还包括步骤：
(6)利用计算机控制位移平台(包括承载位移平台、Y轴水平移动平台和Z轴升降平台)、舵机和数字源表，实现同步有序的工作，达到自动化测量的目的。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)可以更换不同电池槽模块，测量多种尺寸大小的电池，还能实现同一模块不同尺寸电池的测量；
(2)可以适当调节电池槽阵列的长度，满足测试电池的数量要求；
(3)可以设置扫描位置、方向、速率、次数、步长以及时间间隔等；
(4)可以获得每一个子电池器件的开路电压，短路电流密度，填充因子，能量转换效率等参数，并且保存为独立的数据文件；
(5)可以按照设置要求，实现第一块电池到最后一块电池的自动测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种太阳电池测试系统的立体结构示意图；
图2为本发明一种太阳电池测试系统的俯视结构示意图；
图3为本发明一种太阳电池测试系统的主视分体结构示意图；
图4为本发明一种太阳电池测试系统的侧视分体结构示意图；
图5为本发明一种太阳电池测试系统的原理示意图；
图6为本发明舵机装置的结构示意图；
附图中标记及相应的零部件名称：
1-电池槽模块，2-承载位移平台，3-承载位移平台架，4-X向传动轴，5-第一步进电机，6-电池放置槽，7-电极引脚公头，8-舵机装置，9-测试连接母口，10-数字源表，11-Y轴水平移动平台，12-Y轴水平移动平台架，13-Y向传动轴，14-第二步进电机，15-Z轴升降平台，16-铰接剪叉升降架，17-底座，18-剪叉架，19-Z向传动轴，20-第三步进电机，21-顶部压板，22-位置传感器，23-舵机，24-舵机安装架，25-支撑滑板，26-滑板，27-舵机转轴，28-连杆装置，29-计算机，30-微处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-6所示，本发明一种太阳电池测试系统，包括电池槽模块1、承载位移平台2和承载位移平台架3，电池槽模块1设置在承载位移平台2上，承载位移平台2设置在承载位移平台架3上，通过X向传动轴4及设置在X向传动轴4上的第一步进电机5控制在X轴方向水平移动，电池槽模块1上开设有多组电池放置槽6，电池槽模块1上设置有固定太阳电池的顶部压板21，根据对太阳电池在测试量需求，对电池槽模块上的电池放置槽布置数量阵列化设置；根据不同电池尺寸的样品，设置对应尺寸的电池放置槽；每组电池放置槽6内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头7连接，每组电极引脚公头7阵列设置在承载位移平台2一侧，所述承载位移平台架3设置有舵机装置8，舵机装置8上设置有与电极引脚公头7相互配合插接的测试连接母口9，测试连接母口9与Keithley2400数字源表之间通过选通模块连接，实现对单个子电池的I-V曲线扫描。本实施例中，舵机装置上有8个母口，而Keithley数字源表一次只能接入两根线，所以还是需要一个简单的选通电路(这个电路很小，8根里面选2根，普通逻辑电路+继电器都可以完成)。
电极引脚公头7与测试连接母口9对接进行电池测试，只需要微处理器30控制承载位移平台2和舵机装置8就能实现不同电池组测试对接。
2400型通用性源表最大可测量200V的电流和1A的电流，输出功率20W概括：万用表功能包括高重复性和低噪音。其结果形成了一个紧凑的单通道直流参数测试仪。在操作中，这些仪器可以作为一个电压源，电流源，电压表，电流表和欧姆表。通信、半导体、计算机、汽车与医疗行业的元件与模块制造商都将发现，数字源表对于各种特征分析与生产过程测试都极具实用价值。
承载位移平台架3下方设置有Y轴水平移动平台11，Y轴水平移动平台11设置在Y轴水平移动平台架12上，通过设置的Y向传动轴13及设置在Y向传动轴13上的第二步进电机14控制在Y轴方向水平移动。Y轴水平移动平台架12下方设置Z轴升降平台15，Z轴升降平台15下方连接有铰接剪叉升降架16，铰接剪叉升降架16设置在底座17上，铰接剪叉升降架16上方两个剪叉架18通过设置的Z向传动轴19连接，铰接剪叉升降架16上方两个剪叉架18通过Z向传动轴19并拢，Z轴升降平台15就升高，两个剪叉架18通过Z向传动轴19张开，Z轴升降平台15就降低，Z向传动轴19上设置有第三步进电机20控制转动。Y轴水平移动平台和Z轴升降平台只负责整体太阳电池测试系统Y轴和Z轴移动，在测试过程中，便于测试电池与测试光源对应。
如图5所示，承载位移平台2上设置有位置传感器22，通过位置传感器22实现舵机装置8上的测试连接母口9与承载位移平台2上的电极引脚公头7精确对准。所述计算机29分别与数字源表10和微处理器30控制连接，所述数字源表10将电池扫描数据上传给计算机29分析保存，微处理器30可以采用微处理器AKM VISHAY MURATA型号，计算机29与微处理器30控制连接，微处理器30分别与第一步进电机5、第二步进电机14、第三步进电机20和舵机23控制连接。在位置传感器的辅助下实现定位，通过计算机给微处理器信号，控制步进电机，实现XYZ三个方向的位移，利用承载位移平台移动阵列中要测试的太阳电池到指定位置，数字源表通过数据反馈给计算机，计算机再通过微处理器，驱动机械舵机连接每列电池的电极引脚公头，从而实现不同列电池的测量。本实施例中，选通电路集成在微处理器的开发板上。所以微处理器还与测试连接母口9相连。
位置传感器主要用在X轴机械回零的时候，母口正好与第一个公口对准(附图1右侧为第一个电极引脚公头7)，之后，承载位移平台2的所有的移动都是以固定步长移动的，依次与电极引脚公头7对接进行电池测试。
本发明一种太阳电池测试系统的使用方法，将测试电池放置在电池槽模块上电池放置槽内，使用顶部压板固定，每组电池放置槽内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头连接，每组电极引脚公头阵列设置在承载位移平台一侧，通过舵机装置上设置的测试连接母口控制离合，使测试电极与数字源表断开或连接。
使每个子电池电极输出对应两个电极连接在数字源表上，实现对单个子电池的I-V曲线扫描。
在位置传感器的辅助下实现定位，通过计算机给微处理器信号，控制步进电机，实现XYZ三个方向的位移，利用承载位移平台移动阵列中要测试的一组太阳电池电极引脚公头，数字源表对要测试的一组太阳电池进行测试，一组太阳电池测试完成后，计算机通过微处理器控制承载位移平台上下一组太阳电池对应的电极引脚公头与测试连接母口对准，驱动舵机装置使测试连接母口连接该组电池的电极引脚公头，从而实现不同列电池的测量。
利用计算机控制位移平台、舵机和数字源表，实现同步有序的工作，达到自动化测量的目的。
实施例2
如图6所示，本发明一种太阳电池测试系统，在实施例1的基础上，舵机装置8包括舵机23、舵机安装架24、支撑滑板25和滑板26，支撑滑板25安装在舵机安装架24上，滑板26通过滑槽安装在支撑滑板25上带动测试连接母口9水平移动，舵机23通过舵机转轴27安装在支撑滑板25上，舵机转轴27端头设置有连杆装置28，舵机23通过连杆装置28带动滑板26水平移动，连杆装置28为两个铰接的连杆构成，舵机装置8通过舵机安装架24固定连接在承载位移平台2上。
实施例3
本发明一种太阳电池测试系统的测试方法，包括步骤：
(1)首先对太阳电池阵列化，本测试系统列举2行7列总共14块电池，每个电池槽开孔为22cm2,每块电池有子电池3个。在实际需求中可继续增加电池阵列数量，实现电池测试批量化。
(2)对于不同电池尺寸的样品，仅需更换电池槽模块，改变开孔口径，即可满足测试尺寸的广泛性要求，从而实现模块化。电池槽模块配有顶部固定装置和承载位移品台。
(3)每块电池有3个子电池，每个子电池对应两个电极，其中一个正极为公用电极，其余3个为独立电极，分别按照顺序排列。每列两个电池对应8个电极，分别把电极引脚连接到X轴的承载位移平台侧面，利用舵机离合来实现电极引脚与数据排线的断开和连接。
(4)电极之间的信号切换使用软件控制，通过信号反馈导通被测试电池的电极引脚。每个子电池电极输出对应两个电极，用四线法连接在Keithley2400数字源表上，实现对单个子电池的I-V曲线扫描。I-V曲线扫描的方法就是模拟了不同光生电压在pn结上产生的电流特性，而实际工作时pn结电池的光生电压确实不可能是负的，所以只在我们进行测试采用电压扫描方法的时候会有，因为我们完全可以通过测试设备改变外加电压方向，而这样做的目的是测试一小段负压的电流特性，可以方便找出短路电流(光生电压为0时)和并联电阻，并联电阻就是电压为0点附近的I-V曲线的斜率。
(5)在光学探测器(位置传感器)的辅助下实现定位，通过计算机给微处理器信号，控制步进电机，实现XYZ三个方向的位移。利用高精度的位移平台移动阵列中要测试的太阳电池到指定位置，数字源表通过数据反馈给计算机29，计算机29在通过微处理器驱动机械舵机依次连接每列电池电极引脚，从而实现不同列电池的测量。
(6)利用计算机通过微处理器控制位移平台(包括承载位移平台、Y轴水平移动平台和Z轴升降平台)、舵机和太阳电池测试系统，实现同步有序的工作，达到自动化测量的目的。
通过本发明一种太阳电池测试系统的测试方法，可以更换不同电池槽模块，测量多种尺寸大小的电池，还能实现同一模块不同尺寸电池的测量；可以适当调节电池槽阵列的长度，满足测试电池的数量要求；可以设置扫描位置、方向、速率、次数、步长以及时间间隔等；可以获得每一个子电池器件的开路电压，短路电流密度，填充因子，能量转换效率等参数，并且保存为独立的数据文件；可以按照设置要求，实现第一块电池到最后一块电池的自动测量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳电池测试系统，包括电池槽模块(1)、承载位移平台(2)和承载位移平台架(3)，其特征在于：所述电池槽模块(1)设置在承载位移平台(2)上，所述承载位移平台(2)设置在承载位移平台架(3)上，通过X向传动轴(4)及设置在X向传动轴(4)上的第一步进电机(5)控制在X轴方向水平移动，所述电池槽模块(1)上开设有多组电池放置槽(6)，每组电池放置槽(6)内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头(7)连接，每组电极引脚公头(7)阵列设置在承载位移平台(2)一侧，所述承载位移平台架(3)设置有舵机装置(8)，所述舵机装置(8)上设置有与电极引脚公头(7)相互配合插接的测试连接母口(9)，所述测试连接母口(9)与数字源表(10)连接进行电池测试。
2.根据权利要求1所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述承载位移平台架(3)下方设置有Y轴水平移动平台(11)，所述Y轴水平移动平台(11)设置在Y轴水平移动平台架(12)上，通过设置的Y向传动轴(13)及设置在Y向传动轴(13)上的第二步进电机(14)控制在Y轴方向水平移动。
3.根据权利要求2所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述Y轴水平移动平台架(12)下方设置Z轴升降平台(15)，所述Z轴升降平台(15)下方连接有铰接剪叉升降架(16)，所述铰接剪叉升降架(16)设置在底座(17)上，所述铰接剪叉升降架(16)上方两个剪叉架(18)通过设置的Z向传动轴(19)连接，所述Z向传动轴(19)上设置有第三步进电机(20)控制转动。
4.根据权利要求1所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述电池槽模块(1)上设置有固定太阳电池的顶部压板(21)。
5.根据权利要求1所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述承载位移平台(2)上设置有位置传感器(22)，通过位置传感器(22)实现承载位移平台(2)在X向传动轴(4)机械零点时，舵机装置(8)上的测试连接母口(9)与承载位移平台(2)上第一列的电极引脚公头(7)精确对准。
6.根据权利要求1所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述舵机装置(8)包括舵机(23)、舵机安装架(24)、支撑滑板(25)和滑板(26)，所述支撑滑板(25)安装在舵机安装架(24)上，滑板(26)通过滑槽安装在支撑滑板(25)上带动测试连接母口(9)水平移动，所述舵机(23)通过舵机转轴(27)安装在支撑滑板(25)上，所述舵机转轴(27)端头设置有连杆装置(28)，所述舵机(23)通过连杆装置(28)带动滑板(26)水平移动。
7.根据权利要求1所述的一种太阳电池测试系统，其特征在于：所述太阳电池测试系统还包括计算机(29)和微处理器(30)，所述计算机(29)分别与数字源表(10)和微处理器(30)控制连接，所述数字源表(10)将电池扫描测试数据上传给计算机(29)分析保存，所述微处理器(30)分别与第一步进电机(5)、第二步进电机(14)、第三步进电机(20)和舵机(23)控制连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种太阳电池测试系统的测试方法，其特征在于，包括步骤：
(1)根据对太阳电池在测试量需求，对电池槽模块上的电池放置槽布置数量阵列化设置；
(2)根据不同电池尺寸的样品，设置对应尺寸的电池放置槽；
(3)将测试电池放置在电池槽模块上电池放置槽内，使用顶部压板固定，每组电池放置槽内设置有与电池两级连接的测试电极，所述测试电极与对应的电极引脚公头连接，每组电极引脚公头阵列设置在承载位移平台一侧，通过舵机装置上设置的测试连接母口控制离合，使测试电极与数字源表断开或连接；
(4)使每个子电池电极输出对应两个电极连接在数字源表上，实现对单个子电池的I-V曲线扫描，扫描数据同步上传到计算机上。
9.根据权利要求8所述的一种太阳电池测试系统的测试方法，其特征在于，还包括步骤：
(5)在位置传感器的辅助下实现定位，通过计算机给微处理器信号，控制步进电机，实现XYZ三个方向的位移，利用承载位移平台移动阵列中要测试的一组太阳电池电极引脚公头，数字源表对要测试的一组太阳电池进行测试，一组太阳电池测试完成后，计算机通过微处理器控制承载位移平台上下一组太阳电池对应的电极引脚公头与测试连接母口对准，驱动舵机装置使测试连接母口连接该组电池的电极引脚公头，从而实现不同列电池的测量。
10.根据权利要求9所述的一种太阳电池测试系统的测试方法，其特征在于，还包括步骤：
(6)利用计算机控制位移平台、舵机和数字源表，实现同步有序的工作，达到自动化测量的目的。
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