專利名稱：太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電測試裝置，尤其涉及一種太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統。
背景技術：
預計2050年，地球人口將達到120億，伴隨經濟的增長，全球能量消耗總量將為 ^TW。目前全球用量約14TW，能源缺口為14TW。因此，急需低成本、高效率的光伏電池來滿足未來對能源的需求。染料敏化太陽能電池是模仿綠色植物光合作用原理，研制出來的一種新型太陽能電池，所用的材料價格低廉，制作工藝相對簡單，制備成本低，設備投資少，而且使用壽命長，性能穩定，在生產、制作和使用過程中沒有污染和毒害作用。該電池的顯著特點是可以從各個角度將透過玻璃面板的可見光轉化為電能，如用于驅動風扇。和常規硅基太陽能電池的工作原理不同，染料敏化太陽能電池中光吸收和電荷載流子傳輸分別在不同材料中進行，能夠在弱光條件下進行光電轉換工作，是目前太陽能電池領域中唯一能夠做到透明的裝置，這是該類型電池作為新能源應用方面的一個顯著優勢。自1991年瑞士 M. Gratzel 教授及其合作者在《自然》期刊(Nature，1991，353，737)報道了該類高效率電池以后，受到人們廣泛關注，已經成為新一代太陽能電池最為活躍的前沿領域之一。目前，該電池在大氣質量1. 5 (Air Mass 1. 5簡稱AM 1. 5)條件下的光電轉換效率達12. 3%。在對染料敏化太陽能電池等光伏器件的研究過程中，精確的測試太陽能電池的伏安特性，可以得到一些重要參數，如開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)、最大輸出功率(Pmax)、轉換效率(η)等，特別是測量不同輻照度條件下的器件伏安特性，能夠直觀的表征電池器件的性能。因此測試方法和測試系統的改進對研究、提高太陽能電池效率具有重大的實際意義。美國Newport公司開發的OrielI-V特性測試系統，可對太陽能電池的伏安特性和器件物理參數進行測試和計算，包括開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)、最大輸出功率(Pmax)、轉換效率(η)等參數，該系統包括太陽光模擬器、數字源表、標準電池、 電池支架、探針組件以及配套軟件。盡管該系統數據測試精確，但是設定輻照度必須改變太陽光模擬器的發光強度且需要人工操作、測定輻照度值與測試樣品電池器件過程不能同時進行。由于實際輻照度條件受環境溫度、空氣濕度、太陽光模擬器的發光強度的影響，不可避免與設定的輻照度值有一定范圍的誤差。為了增加測試精度提高，必須在測量樣品電池器件參數的同時測量實際輻照度條件。人工操作的方式設定輻照度條件，會增加整個測試的復雜性，而不能實時測定樣品電池器件的實際輻照度條件，會降低測試的準確性。目前國內現有的光伏器件測試系統主要供應商提供的測試系統或者裝置也存在相同的難題。
發明內容
本發明提供一種太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，解決現有測試系統必須采用人工操作的方式設定輻照度值、測定輻照度值與測試樣品電池過程不能同時進行的問題。本發明的一種太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，包括太陽光模擬器、電池測試裝置和計算機，其特征在于所述太陽光模擬器輸出光路上依次設置有輻照度選擇裝置和輻照度測定裝置；所述太陽光模擬器，由光路上的氙燈和大氣質量1. 5濾波片組成，產生模擬太陽光，其光譜輻照度接近大氣質量1. 5的標準太陽光譜輻照度；所述輻照度選擇裝置包括轉盤、直流電機、直流電機驅動電路和光電檢測電路，所述轉盤中心固定于直流電機轉軸，直流電機由直流電機驅動電路控制驅動；直流電機和直流電機驅動電路由直流電壓源供電；所述轉盤上具有N個沿圓周均勻排列、孔徑一致的通光孔，其中N-I個通光孔上分別裝有覆蓋通光孔的濾光網，2 < N ( 20，各濾光網的目數為 10目 400目，且互不相等；所述光電檢測電路位于轉盤的后方，由光電二極管、偏置電路及第一模數轉換電路組成，其中光電二極管處于所述轉盤圓周通光孔位置，第一模數轉換電路通過串行接口與計算機通信；所述輻照度測定裝置包括電動平移臺、電動平移臺驅動電路和電信號采集電路， 所述電動平移臺的臺面與輻照度選擇裝置輸出光路方向垂直，電動平移臺的臺面上放置有參比電池，電動平移臺驅動電路控制電動平移臺沿水平方向運動，電動平移臺驅動電路由直流電壓源供電；所述的電信號采集電路由測試電阻和第二模數轉換電路并聯組成，其中測試電阻與參比電池串聯，第二模數轉換電路通過串行接口與計算機通信；測試時，待測電池置于電動平移臺臺面上，電池測試裝置和待測電池串聯組成測試電路，電池測試裝置通過通用接口總線連接計算機；所述計算機進行下述操作A.通過輸入界面輸入測試參數測試待測電池的輻照度值P、待測電池的面積S以及電池測試裝置測試待測電池的起始偏壓值和結束偏壓值；B.接收第一模數轉換電路的電壓值V1，將其作為對應的輻照度值P1 =P1 = K1XV^b1,其中，K1, bi均為常數，由具體的光電二極管型號確定；C.判斷是否ι (P1-PVPl彡10%，是則轉步驟D，否則控制輻照度選擇裝置中直流電機驅動電路，驅動直流電機帶動轉盤轉動，并進行步驟C ；D.控制輻照度選擇裝置中直流電機驅動電路，停止直流電機和轉盤轉動，轉盤停止轉動以后，控制輻照度測定裝置中的電動平移臺驅動電路驅動電動平移臺平移一個行程，同時接收第二模數轉換電路傳送的一系列參比電池電信號值，并記錄各電信號值對應的電動平移臺平移位置，從各電信號值中得到最大電信號值以及對應的平移位置，并將最大電信號值Iin作為對應的實際輻照度值Pin ；Pin = K2X Iin+b2，K2, b2均為常數，由具體參比電池型號確定；E.控制輻照度測定裝置中的電動平移臺驅動電路驅動電動平移臺繼續平移，使樣品電池平移到最大電信號值對應的平移位置處；樣品電池到達該位置后，控制電池測試裝置開始測試待測電池的伏安特性，接收并保存電池測試裝置傳輸的待測電池伏安特性測試數據，進行處理后輸出伏安特性曲線以及下述表征參數開路電壓Voc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF、轉換效率η。
所述大氣質量1. 5的標準太陽光譜輻照度在國標GB/T17683. 1-1999中加以規定；所述開路電壓Voc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF、轉換效率η 在國標GB/T6495. 3-1996中加以規定。所述的太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，其特征在于由具體的光電二極管型號確定常數K1, Id1的過程為，在一系列不同輻照度條件下測定光電二極管對應的光電壓，得到輻照度-光電壓曲線，對該曲線進行線性擬合，得到K” b1;由具體參比電池型號確定常數K2，b2的過程為在一系列不同輻照度條件下測定參比電池對應的電信號，得到輻照度-電信號曲線，對該曲線進行線性擬合，得到K2、b2 ；所述電信號為電流值、電壓值或功率值；所述一系列不同輻照度條件由標準太陽電池標定。所述的太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，其特征在于所述濾光網為金屬網。本發明中，計算機一方面對輻照度選擇裝置、輻照度測定裝置進行控制，使輻照度選擇過程和輻照度值測定過程無需人工操作，從而可以減少因為人為原因造成的測量誤差，提高系統測量精確度和可靠性，另一方面分析處理獲得的數據使電池測試過程和數據處理簡單化；本發明能夠在不同的輻照度條件下對染料敏化太陽能電池為代表的光伏器件進行測試，同時，對實際的輻照度值進行精確的標定，使得測試結果真實和精確。本發明的系統組裝簡單、快速、易操作，所需各裝置和組件均有市售，元件易得，能夠實時，精準，自動化給出特性曲線。
圖1、本發明的示意圖；圖2、輻照度選擇裝置示意圖；圖3、輻照度測定裝置示意圖；圖4、輻照度選擇裝置的濾光網透射率示意圖；圖5、計算機控制流程示意圖；圖6、樣品電池器件在標準測試條件下的伏安特性曲線圖；圖7、樣品電池器件在不同輻照度條件下的伏安特性曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進一步說明。如圖1所示，本發明包括太陽光模擬器3、電池測試裝置7和計算機8，所述太陽光模擬器3，由光路上的氙燈1和大氣質量1. 5濾波片2組成，氙燈1發出光束，大氣質量1. 5 濾波片2對該光束波譜進行修正，得到模擬太陽光，其光譜輻照度接近大氣質量1. 5的標準太陽光譜輻照度；太陽光模擬器3輸出光路上依次設置有輻照度選擇裝置4和輻照度測定裝置6 ；直流電壓源5對輻照度選擇裝置4和輻照度測定裝置6供電；電池測試裝置7通過通用接口總線連接計算機8。
如圖2所示，輻照度選擇裝置4包括轉盤9、直流電機13、直流電機驅動電路11和光電檢測電路12，所述轉盤9中心固定于直流電機轉軸，直流電機由直流電機驅動電路11 控制驅動；直流電機13和直流電機驅動電路11由直流電壓源5供電；所述轉盤9上具有 N個沿圓周均勻排列、孔徑一致的通光孔，其中N-I個通光孔上分別裝有覆蓋通光孔的濾光網10，2彡N彡20，各濾光網的目數為10目 400目，且互不相等；所述光電檢測電路12位于轉盤9的后方，由光電二極管、偏置電路及第一模數轉換電路組成，其中光電二極管處于所述轉盤圓周通光孔位置，第一模數轉換電路通過串行接口與計算機8通信；如圖3所示，輻照度測定裝置6包括電動平移臺16、電動平移臺驅動電路14和電信號采集電路15，所述電動平移臺16的臺面與輻照度選擇裝置4輸出光路方向垂直，電動平移臺16的臺面上放置有參比電池18，電動平移臺驅動電路14控制電動平移臺16沿水平方向運動，電動平移臺驅動電路14由直流電壓源5供電；所述的電信號采集電路15由測試電阻和第二模數轉換電路并聯組成，其中測試電阻與參比電池18串聯，第二模數轉換電路通過串行接口與計算機8通信；測試時，待測電池置于電動平移臺16臺面上，電池測試裝置7和待測電池17串聯組成測試電路，電池測試裝置7通過通用接口總線連接計算機8 ；本發明的實施例中，氙燈1采用Newport公司生產的6258型氙燈，光斑大小為 50. 8mm,大氣質量1. 5濾波片2為Newport公司的生產AMI. 5G濾波片；轉盤9上具有4個沿圓周均勻排列、孔徑為70mm的圓通光孔，轉盤直徑為400mm，圓通光孔和轉盤中心距為 100mm;濾光網10采用20目鋼網、100目鋼網、400目鋼網，分別覆蓋在3個圓通光孔上，剩下一個圓通光孔不覆蓋任何鋼網，從而4個圓通光孔輻照度透過率為100 %、74 %、50 %、 對％，轉盤其他位置透過率為0，利用紫外可見近紅外分光光度計分析濾光網10如圖4所示，74%、50%、M%三種鋼網在200nm至1200nm范圍上透射率可以認為是直線，和100%即未覆蓋鋼網相比，透過率下降了而光譜的分布并未改變，即入射光與透射光相比輻照度下降而光譜不變化，因而達到既有選擇輻照度的功能又不會使光束光譜變化的目的；光電檢測電路12的光電二極管采用美國VishaySiliconix公司生產的BPW21型光電二極管，對應 K1 = 0. 25，bi = -0. 25 ；參比電池18采用美國Newport公司生產的91150V型標準太陽電池，電信號采用功率值，對應的常數K2 = Ub2 = 0 ；在每次測試前對實際輻照度進行標定，電信號采集電路 15采用優利德科技有限公司的UT71E萬用表，測量參比電池18電流值，并利用串行接口將該電流值傳輸到計算機8，計算機8將該電流值轉換為輻照度值，從而獲得照射在待測電池上的實際輻照度值，電動平移臺16及電動平移臺驅動電路14采用武漢華天科遠光電有限公司提供的電動平移臺系統及配套的電動平移臺控制和驅動裝置；直流電壓源5采用成都英特羅克科技有限公司提供的IPD-3303LU可編程線性直流電源，電池測試裝置7采用美國 keithley公司生產的keithleyMOO型數字電源電表，計算機8采用聯想楊天系列M6600N 型計算機。圖5為計算機控制流程示意圖，本實施例在美國Wavematrix公司提供的Igor6. 21 編程環境下，設計與系統配套的程序。進行測試時，電動平移臺臺面放置待測電池，待測電池和參比電池的中心連線和電動平移臺的運動方向平行。具體測試步驟如下
1.打開計算機、直流電壓源、氙燈電源；放置待測電池到正確位置，并固定待測電池；2.在計算機輸入界面輸入所需的測試參數，包括測試電池的輻照度值P、待測電池的面積S以及測試待測電池的起始偏壓值和結束偏壓值，開始測試；3.計算機輸出表征參數后，測試者可以更改設定的輻照度值，重復步驟2繼續測試，直到測試者結束本次測試，更換電池進行下一次測試；測試者也可以立刻結束本次測試，更換電池進行下一次測試。測試結果如圖6、圖7所示其中圖6為樣品電池器件在標準測試條件下的測試曲線圖，輸出參數為開路電壓=0. 8IV，短路電流=-16mA/em2，最大輸出功率=_9mW，填充因子=0. 70，效率=9. 1%；圖7為樣品電池器件在輻照度分別為標準測試條件下輻照度的100%、75%、 50%、25%條件下測試曲線圖，輸出參數依次為開路電壓=0. 81V，短路電流=-16mA/cm2，最大輸出功率=_9mW，填充因子= 0. 70，效率=9. 1% ；開路電壓=0. 80V，短路電流=-12mA/cm2，最大輸出功率=_7mW，填充因子= 0. 72，效率=9. 2% ；開路電壓=0. 78V，短路電流=-8mA/cm2，最大輸出功率=_4. 6mW，填充因子= 0. 73，效率=9. 2% ；開路電壓=0. 75V，短路電流=-4mA/cm2，最大輸出功率=_2. 2mW，填充因子= 0. 75，效率=9. 1%。標準太陽電池和標準測試條件在國標6495. 3-1996中有相關規定。
權利要求
1. 一種太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，包括太陽光模擬器(3)、電池測試裝置(7)和計算機(8)，其特征在于所述太陽光模擬器( 輸出光路上依次設置有輻照度選擇裝置(4)和輻照度測定裝置(6)；所述太陽光模擬器C3)，由光路上的氙燈(1)和大氣質量1. 5濾波片( 組成，產生模擬太陽光，其光譜輻照度接近大氣質量1. 5的標準太陽光譜輻照度；所述輻照度選擇裝置(4)包括轉盤(9)、直流電機(13)、直流電機驅動電路(11)和光電檢測電路(12)，所述轉盤(9)中心固定于直流電機轉軸，直流電機由直流電機驅動電路控制(11)驅動；直流電機(13)和直流電機驅動電路(11)由直流電壓源(5)供電；所述轉盤(9)上具有N個沿圓周均勻排列、孔徑一致的通光孔，其中N-I個通光孔上分別裝有覆蓋通光孔的濾光網(10)，2<N<20，各濾光網的目數為10目 400目，且互不相等；所述光電檢測電路(12)位于轉盤(9)的后方，由光電二極管、偏置電路及第一模數轉換電路組成， 其中光電二極管處于所述轉盤圓周通光孔位置，第一模數轉換電路通過串行接口與計算機 ⑶通信；所述輻照度測定裝置(6)包括電動平移臺(16)、電動平移臺驅動電路(14)和電信號采集電路(15)，所述電動平移臺(16)的臺面與輻照度選擇裝置⑷輸出光路方向垂直，電動平移臺(16)的臺面上放置有參比電池(18)，電動平移臺驅動電路(14)控制電動平移臺 (16)沿水平方向運動，電動平移臺驅動電路(14)由直流電壓源(5)供電；所述的電信號采集電路(15)由測試電阻和第二模數轉換電路并聯組成，其中測試電阻與參比電池(18)串聯，第二模數轉換電路通過串行接口與計算機(8)通信；測試時，待測電池置于電動平移臺(16)臺面上，電池測試裝置(7)和待測電池(17)串聯組成測試電路，電池測試裝置(7)通過通用接口總線連接計算機(8)；所述計算機(8)進行下述操作A.通過輸入界面輸入測試參數測試電池的輻照度值P、待測電池的面積S以及電池測試裝置(7)測試待測電池的起始偏壓值和結束偏壓值；B.接收第一模數轉換電路的電壓值V1，將其作為對應的輻照度值P1T1 = K1XV^b1，其中，K1, bi均為常數，由具體的光電二極管型號確定；C.判斷是否I(P1-PVPl ^ 10%，是則轉步驟D，否則控制輻照度選擇裝置中直流電機驅動電路(11)，驅動直流電機(π)帶動轉盤(9)轉動，并進行步驟C;D.控制輻照度選擇裝置中直流電機驅動電路(11)，停止直流電機(1 和轉盤 (9)轉動，轉盤(9)停止轉動以后，控制輻照度測定裝置(6)中的電動平移臺驅動電路(14) 驅動電動平移臺(16)平移一個行程，同時接收第二模數轉換電路傳送的一系列參比電池 (18)電信號值，并記錄各電信號值對應的電動平移臺(16)平移位置，從各電信號值中得到最大電信號值以及對應的平移位置，并將最大電信號值Iin作為對應的實際輻照度值Pin ； Pin = K2X Iin+b2，K2, b2均為常數，由具體參比電池型號確定；E.控制輻照度測定裝置(6)中的電動平移臺驅動電路(14)驅動電動平移臺(16)繼續平移，使樣品電池平移到最大電信號值對應的平移位置處；樣品電池到達該位置后，控制電池測試裝置(7)開始測試待測電池的伏安特性，接收并保存電池測試裝置(7)傳輸的待測電池伏安特性測試數據，進行處理后輸出伏安特性曲線以及下述表征參數開路電壓Voc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF、轉換效率η。
2.如權利要求1所述的太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，其特征在于 由具體的光電二極管型號確定常數K1, Id1的過程為，在一系列不同輻照度條件下測定光電二極管對應的光電壓，得到輻照度-光電壓曲線，對該曲線進行線性擬合，得到Kpb1 ； 由具體參比電池型號確定常數K2，b2的過程為在一系列不同輻照度條件下測定參比電池對應的電信號，得到輻照度-電信號曲線，對該曲線進行線性擬合，得到K2、b2 ；所述電信號為電流值、電壓值或功率值；所述一系列不同輻照度條件由標準太陽電池標定。
3.如權利要求1或2所述的太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，其特征在于所述濾光網為金屬網。
全文摘要
太陽能電池光伏器件伏安特性測試系統，屬于光電測試裝置，解決現有測試系統必須采用人工操作的方式設定輻照度值、測定輻照度值與測試樣品電池過程不能同時進行的問題。本發明包括太陽光模擬器、輻照度選擇裝置、輻照度測定裝置、電池測試裝置和計算機，太陽光模擬器由光路上的氙燈和大氣質量1.5濾波片組成，太陽光模擬器輸出光路上依次設置有輻照度選擇裝置和輻照度測定裝置；直流電壓源對輻照度選擇裝置和輻照度測定裝置供電；電池測試裝置通過通用接口總線連接計算機。本發明的系統組裝簡單、快速、易操作，所需各裝置和組件均有市售，元件易得，能夠實時，精準，自動化給出特性曲線。
文檔編號G01R31/26GK102520330SQ20111039237
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者李志鴻, 王鳴魁 申請人:華中科技大學