太阳电池测试系统及其参数匹配优化研究

1、OpticsandPrecisionEngineering2007年4月Apr.2007文章编号10042924X(2007)0420517205第15卷第4期光学精密工程Vol.15No.4太阳电池测试系统及其参数匹配优化研究蔡建文,李萍萍,徐传明,黄文浩(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027)摘要:为了获得太阳电池的I2V特性曲线及特性参数,利用VisualC+语言开发出基于Windows平台的太阳电池测试软件系统,并对基于补偿原理的I2V测试电路参数匹配进行了详细分析。电路中串联电阻及桥式直流电源对电池的暗特性影响变化不大,但可使光特性I2V曲线发生显著变化。通过参

2、数匹配的调整与优化,测量数据与电池的标准数据基本吻合,其误差仅为1%2%,表明该测试软件系统满足实际使用要求,为电池性能分析提供了准确的依据。关键词:太阳电池;测试系统;I2V特性曲线;参数匹配中图分类号:TM914.4文献标识码:AStudyonsolar2,LIPing2ping,XUChuan2ming,HUANGWen2hao(DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China)Abstract:Inorde

3、rtogetI2Vcharacteristiccurvesandcharacteristicparametersofsolarcells,thesoft2waresystemforsolarcelltestingisdevelopedusingVisualC+basedonWindowsoperatorsystem.TheparametersmatchingincompensativeI2Vtestingcircuitisanalyzedindetails.AnalysisresultsshowthatseriesresistanceandbridgeDCpowerinthemeasureme

4、ntcircuitcanslightlyaffectthedarkI2Vcurve,however,theymodifythelightI2Vcurvesignificantly.Themeasurementdataarebasical2lyagreewiththestandarddataofsolarcellsbyadjustingandoptimizingthematchingparametersandthiserrorisonlybetween1%and2%.Theresultsshowthatthissoftwaresystemcanmeettheprac2ticalneedsanda

5、lsocanprovideaccuratebasisfortheanalysisofsolarcellsperformances.Keywords:solarcell;testingsystem;I2Vcharacteristiccurve;parametermatching发展的影响因素尚不清楚如电光学特性等。太阳1引言太阳能电池作为洁净新能源在光伏领域已获得良好的商业应用和发展1,2,但许多制约电池收稿日期:2006209218;修订日期:2007201203.基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(No.0046506)电池I2V特性曲线是衡量太阳电池品质优劣的重要依据,它给出了短路电流I

6、SC、开路电压VOC、光电转换效率、电池内阻、最大输出功率Pmax点等丰富物理信息3,为改进电池制备工艺和电学性© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 518光学精密工程VOC=ln(+1),qI0第15卷能提供了重要的分析依据4。对I2V曲线实验数据进行拟合分析的许多方法,如解析法5、数论方法6、从暗I2V曲线中取得电池的特性参数7,8等,已取得较深入的研究成果。国内外在光电检测,光电跟踪等方面已经做了很多研究工作9211,但是如何测量太阳电池并获得准确

7、的I2V特性曲线的实验数据,相关研究较少。本文在Windows平台上,利用VisualC+6.0语言开发出太阳电池测试软件系统,对多功(1)式中A为二极管品质因子,k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,q为电子电荷,I0为二极管饱和电流。能数据采集系统取得的I2V数据进行了分析处理,并对基于补偿原理的I2V测试电路参数匹配进行了详细分析。通过参数匹配的调整与优化,可以取得准确的测量数据,为I2V曲线的实验数据拟合分析以及改进电池性能提供了必要的依据。a)1(a2太阳测试系统器(AM1.0),短弧氙灯为光源(图1)。(b)等效电路图(b)equivalentcircuit图2补偿原理的数据采集Fig.

8、2Datagatheringofcompensationtheory基于补偿原理的数据采集电路1可以利用桥图1TM2500A太阳模拟器外形图Fig11FigurationofTM2500Asunsimulator2.1采集电流与电压的电路设计I2V特性曲线是太阳电池的最主要性质,直接反映了电池的开路电压(VOC)和短路电流(ISC)的关系,从而可计算出输出功率以及电池的效率。只有当负载连到太阳电池时,才能决定其输出电压及输出电流。在一定太阳光(或模拟光)照射下,曲线完全由电池的p2n结特性以及测量电路中的电阻参数所确定。当太阳光接受从弱到强的光照射时,电池在某一光强下VOC和ISC的关系是1:

9、式电路的可变电阻R调节,通过串联提取电流的取样电阻RS很快获得与I2V坐标的交点(图2(a)。其等效电路图如图2(b)所示,桥式电路可简化表示为恒压电源VE及电阻RE,其中:VE=RE=2(ROB+ROA)ROB-ROA,(2)当电桥由平衡点O向A变化时,外加恒压电源VE给电池施以正向偏置,可使流过p2n结的电流大于光生电流,通过测量电池的两端电压,即可得到VOC;当电桥由平衡点O向B变化时,电池© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期蔡建文,等:太

10、阳电池测试系统及其参数匹配优化研究519受到VE的反向偏置,而反向电流增大到和正向光生电流相等时,使得p2n结处于截止状态,通过测量RS两端电压VS,只要除以其电阻值,就可以间接得到ISC。通过上述电路,在电池没有光照时,可以测到的是暗I2V曲线;但是在加上光照以及偏压后,测到的电流和电压必须减去暗电流和暗电压才能得到真正的太阳能电池光生I2V曲线。在测试系统中,采用具有A/D转化功能Evoc公司的PCL2711B多功能数据采集卡,实现对电池及取样电阻RS两端电压信号的快速提取。该采集卡对PC为基础的数据采集系统有很好的适应性,增益编程可调,增益分别与外界模拟信号输入的量程电压相对应,最高采样

11、频率可达25kHz,误差在1BitLSB之内,很好地满足了电池的实际测量要求。2.2测试系统的软件设计在Windows平台上,利用+大模块:(图3)。R改变RE的大小,实现对两路模拟电压信号进行采集和A/D转换、实时显示和数据保存,一路为测量电池两端的电压V,另一路为标准电阻两端的电压VS(其实相当于是回路中的电流值)。数据处理模块实现对数据进行分析拟合处理,通过软件系统的计算处理,可以对无光照和光照条件下的I2V特性曲线进行分析比较,从而得到太阳电池的ISC、VOC、转换效率、最大输出功率Pmax点等性能参数。电池的明暗I2V特性曲线如数据处理模块的基本界面中所示(图4)。图3太阳电池测试软

12、件系统流程图Fig.3Flowchartofsolarcelltestingsystem3测试电路的参数匹配优化在不改变桥式电路中R与r的情况下,电池的输出电流和电压值受补偿电路中外加偏置直流VDC以及串联电阻RS影响较大。从等效电路图中(图2(b)可以发现:外加恒压电源VE提供的电压(除去加在RE与RS上的分压)必须大于电池的开启电压,才能引起光I2V曲线产生明显的变化。在RS=10条件下(图5),当VDC=4V时,只显示出近似直线的部分光I2V曲线段;当VDC逐渐增至16V时,可以完整地得到光I2V曲图4数据处理模块的基本界面图Fig.4Basicinterfaceofmodelforda

13、taprocessing线。对于暗I2V曲线,VDC的影响相对就不那么明显,但较大VDC值可以延迟曲线的拐点,更清楚地反映出暗I2V曲线的变化。相对而言,VDC=8V能更准确地反映实际的电池I2V曲线特性(图5和图7)。与VDC对I2V曲线的影响相比,RS的匹配选© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 520光学精密工程第15卷进行测试(图7),暗I2V曲线中的暗电流和暗电压分别为0mA和8.72mV,对光I2V曲线(ISC=12.09%)=37.5mA/

14、cm2,VOC=532.72mV,进行比较可以得出误差在1%2%之间。这表明,经过测试电路的RS与VDC优化调整,该测试软件系统能较准确地得到实际的电池I2V特性曲线。图5在RS=10条件下I2V测量曲线随VDC变化的比较Fig.5I2VcurvevsVDCinRs=10择显得更重要。RS要远远大于电池内阻,但是RS的分压又会增大外加直流电压VDC,同时将会使暗电流I和暗电压V变化不明显。在VDC=4V条件下(图6),RS=0.5时,光2折线变化,表明此时RS,内阻影响很大;由于RS的分压,与RS=10,电池开路电压VOC显著减小,相应的暗I2V曲线近似呈直线变化。S=10,VDC=8V条件下

15、标准电池的I2V测量曲线与标准曲线比较Fig.7I2VmetricalcurvevsstandardcurveofstandardcellinRS=10,VDC=8V4结论本文利用基于Windows平台的太阳电池测试软件系统,对基于补偿原理的I2V测试电路参数匹配进行了分析和优化。电路中串联电阻及桥式直流电源对电池的暗I2V曲线影响并不明显,但光特性I2V曲线受之影响很大。通过参数匹配的调整与优化,分析发现RS=10,VDC=8V条件下,测量数据与电池的标准数据基本吻合,误差在1%与2%之间。结果表明,该测试软件系统较图6在VDC=8V条件下I2V测量曲线随RS变化的比较Fig.6I2Vcur

16、vevsRsinVDC=8V通过对一块已知性能参数的标准太阳能电池(ISC=38.09mA/cm2,VOC=533.5mV,=12.24%)好地满足了实际的电池性能要求,可为电池性能的改善与提高提供准确的综合分析依据。致谢:感谢中国科学技术大学物理系刘宏图教授在研究工作中提供的帮助。参考文献:1赵富鑫,魏彦章.太阳电池及其应用M.北京:国防工业出版社,1985.ZHAOFX,WEIYZH.SolarCellsandItsApplicationM.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1985.(inChinese)© 1994-2010 China

17、 Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期蔡建文,等:太阳电池测试系统及其参数匹配优化研究5212耿新华,孙云,王宗畔,等.薄膜太阳电池的研究进展J.物理,1999,28(2):962102.GENGXH,SUNY,WANGZP,etal.ThinfilmsolarcellsJ.Physics,1999,28(2):962102.(inChinese)3苗建勋,李水泉,石发旺,等.太阳能电池基本特性研究J.大学物理实验,1996,9(4):23225.MIAOJX,LISHQ,SHIFW,eta

18、l.StudyonthebasicpropertiesofthesolarcellJ.Phys.Experim.Coll.,1996,9(4):23225.(inChinese)4PAULAB,DONALDAC.PCIDversion4forwindows:fromanalysistodesignC.IEEEElectronDevicesSo2ciety,Proceedingsofthe25thPhotovoltaicSpecialistsConference,Washington,1996,3772381.5卢景宵.用解析模型拟合太阳电池I2V特性的实验数据J.太阳能学报,1996,17(1

19、):44249.LUJX.FittingtheexperimentaldataofsolarcellI2VcharacteristicswithanalyticmodelJ.ActaEnergiaeSolarisSinica,1996,17(1):44249.(inChinese)6徐林,崔容强,庞乾骏,等.对太阳电池I2V曲线进行拟合的数论方法J.太阳能学报,2000,21(2):1602164.XUL,CUIRQ,PANGQJ,etal.AnumericalmethodforcorrelatingtheI2VcurveofsolarcellsJ.ActaEner2giaeSolarisSinica,2000,21(2):1602164.(inChinese)7SHARMATSK,PAVITHRAD,SRINIVASAMURTHYN,etal.Determinationofsolarcellparameters:ananalyticalapproachJ.J.Phys.D:Appl.Phys.,1993,26:113021133.8KINGDL,HANSENBR,KRATOCHVILJA,etal.Darkcurrent2voltageonphotovoltaicmod2ulesasadiagnosticormanufacturingtoolC.IEEEEl