使用標準測試儀器測量太陽能電池的功率輸出

　　常用解決方案

　　目前，太陽能電池測試解決方案分為兩大類：成套系統(tǒng)和通用測試儀器。成套系統(tǒng)適用于驗證和制造測試階段。這些系統(tǒng)可以確保測試的可重復性，因為它們經(jīng)過編程，可對太陽能電池進行一系列電池測試。

　　研究人員通常會使用半導體設計實驗室中的通用測試儀器。他們使用半導體器件參數(shù)分析儀測量二極管器件特性，使用 LCR 測量計（電感電容電阻測量計）測量材料/器件的電感、電容和電阻。

　　在測試整個太陽能電池輸出功率時，許多研究實驗室會使用低功率 4 象限電源（有時簡稱 SMU），該電源可以：

　　精確地供應正和負電壓（供應也稱施加）；

　　精確地供應正和負電流（供應負電流是將電流吸入電源的過程）；

　　精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱感知）。

　　4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠為被測件提供的最大電流和功率較小。大部分精密型 4 象限電源只能供應 3 A 或 20 W 的連續(xù)電力。這種最大電流和功率適合小型獨立電池測試，但隨著電池技術的發(fā)展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現(xiàn)了較大幅度的增長，電池功率輸出可能很快超過 4 象限電源的最大額定值。太陽能電池模塊通常能夠提供超過 50 W 甚至可以達到 300W 或以上的輸出，這意味著對其進行測試將無法繼續(xù)使用 4 象限電源。

　　為此，工程師必須使用現(xiàn)有的標準電子負載、直流電源、數(shù)字萬用表、數(shù)據(jù)采集設備（包括溫度測量、掃描、開關和數(shù)據(jù)記錄設備等）構(gòu)成靈活的測試系統(tǒng)，才能在廣泛的工作范圍內(nèi)對這些太陽能電池模塊進行測試，同時保證測量精度。例如，您可以使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)掃描環(huán)境溫度、被測件溫度、校準參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數(shù)。

　　戶外測試

　　部分工程師可能會使用配備了太陽仿真器的成套太陽能電池測試系統(tǒng)展開測試。太陽仿真器是一個標準光源，可以控制照射太陽能電池的光能。但是當太陽能電池或模塊過大時，太陽仿真器無法產(chǎn)生足夠的光能。例如，被測的太陽能電池模塊可能是大型戶外太陽能收集系統(tǒng)的一部分。此時，測試只能以太陽作為真實的物理光源。由于在戶外使用成套測試系統(tǒng)（無太陽仿真器）進行測試是不現(xiàn)實的，工程師不得不放棄這種測試方法，而采用由標準測試儀器構(gòu)成的其他測試解決方案。

　　戶外測試還需考慮溫度因素。電池性能會受到溫度的影響，因此在測試時，有必要使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或溫度測量系統(tǒng)進行溫度監(jiān)測。不僅電池性能會受到溫度的影響，測試設備同樣會受到溫度的影響。許多儀器廠商未指明測試設備在非室溫條件（25 ± 5 °C）下的技術指標，而優(yōu)質(zhì)測試設備廠商會提供溫度系數(shù)技術指標，以幫助調(diào)整測試儀器的精度指標，從而修正在非指定溫度范圍下的操作。因此，為了在不可能控制溫度的戶外環(huán)境中正確使用測試儀器，您需要了解實時溫度，并根據(jù)溫度系數(shù)技術指標進行相應的調(diào)整，以確保測試儀器的精度。

　　大功率測試的負載

　　對于大功率應用，您可以使用標準電子負載進行太陽能電池測試。由于習慣了使用成套系統(tǒng)或 4 象限電源，許多工程師在進行太陽能電池測試時不會想到電子負載。鑒于太陽能電池可以產(chǎn)生能量，在使用 4 象限電源對其進行測試時，電源的實際工作模式如下：太陽能電池對電源的端點施加了一個正電壓。同時，電流從太陽能電池流向 4 象限電源的端點，意味著 4 象限電源觀察到的是負電流（相對其端點）。此時也可以說是 4 象限電源在吸收電流。在電學上，對端點施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱為電子負載。因此，對大部分太陽能電池測試來說，如果有光線照在太陽能電池上，且電池正在產(chǎn)生電力，4 象限電源即作為電子負載使用。使用電子負載的優(yōu)勢在于它可以適應所有的電流和功率：使用 50W 或更高（可達數(shù)千 W 和數(shù)百 A）的電子負載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。

　　電子負載可在恒壓（或 CV）模式下工作。恒壓模式下，負載將調(diào)整流經(jīng)自身的電流，以調(diào)節(jié)其端點的電壓，使其保持在一個恒定值。因此，恒壓模式可用于創(chuàng)建電壓掃描：使用負載控制太陽能電池輸出的電壓，然后測量生成的電流（如圖 2 所示）。部分負載（例如 Agilent N3300 系列）可以快速執(zhí)行 CV 定位點列表以掃描恒壓模式的輸出電壓，從而快速繪制 I-V 曲線。與此同時，負載可以將從太陽能電池流向負載的電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形（與捕獲示波器跡線類似）。通過繪制掃描控制的 CV 電壓和數(shù)字轉(zhuǎn)換的實際電流圖像，您可以創(chuàng)建 I-V 曲線。由于這一切可以作為快速掃描在短時間內(nèi)完成，整個測試可在大約一秒鐘的時間內(nèi)實現(xiàn)，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現(xiàn)變化前完成。