基于LabVIEW研究硅光电池特性

戴皓珽，倪 晨，方 恺，何雨华

（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

基于LabVIEW研究硅光电池特性

戴皓珽，倪 晨，方 恺，何雨华

（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

利用Lab VIEW配合Nextkit数据采集卡，通过计算机实时测量，研究了硅光电池的照度特性和输出特性.实验结果显示，用虚拟仪器平台进行硅光电池特性实验，有助于学生了解虚拟实验及实时测量现代测量技术.

硅光电池；Lab VIEW；虚拟仪器

1 引 言

进入21世纪以来，现代测量技术给实验室研究和工程应用带来变革.其中，以虚拟仪器的出现为代表的计算机辅助检测、研究、分析、监控和自动化技术已经被广泛应用.近年来，众多国内外高校开始将虚拟仪器引入到大学物理实验课程中［1］，其应用研究主要体现在两方面：一是对传统的实验项目的测试方法和手段进行了更新；二是配合传感器开设了新的实验项目［2，3］.本文利用Nextkit多功能数据采集卡和针对其开发的Lab-VIEW虚拟仪器实现了硅光电池特性参量的实时测量.

2 Nextkit与Lab VIEW

Nextkit是泛华测控为工程师和工科院校师生开发的一款USB信号万用仪，在泛华公司开发的软件平台Nextpad可以实现包括示波器、波形发生器、频率相应分析仪等多种常用仪器功能，更可以通过二次开发实现功能自定义［4］.其大致功能包括：双通道数字存储示波器（200 M/s）、任意信号发生器（50 M/s）、USB供电模式（无需外接电源）.

根据Nextkit的功能特性，建立图1所示的信号传输通道，然后利用泛华测控提供的二次开发DLL在Lab VIEW平台上对Nextkit进行二次开发实现了功能自定义.

图1 Nextkit测试示意图

Lab VIEW（Laboratory virtual instrumentation engineering workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台.该图形化程序与传统编程语言的不同点在于程序流程采用“数据流”概念，即每部分只要输入的条件（数据、逻辑结构等）具备就会执行，所以是多线程并行运行的［5-6］.

Lab VIEW率先引入了特别的虚拟仪表的概念，用户可以通过人机界面直接控制自行开发的仪器.由于Lab VIEW具有特殊的图形程序及简单易懂的开发接口，缩短了开发原型的速度以及方便日后的软件维护，因此逐渐受到系统开发以及研究人员的喜爱.目前被广泛应用于工业自动化领域.

3 基于LabVIEW平台的实时测量实验程序设计

在基于Lab VIEW平台的实验中，使用虚拟仪器（以下简称VI）对电压数据进行实时测量，并且产生实时的数据图表.其程序设计流程如图2所示.

图2 测量程序流程图

在VI程序的实现方法上，首先利用泛华测控提供的针对Nextkit编写的二次开发DLL在Lab VIEW平台上开发出了用于测试的子VIs，用于向Nextkit输入命令.

程序运行的主体是嵌套在WHILE循环中的事件结构，由按钮的“MouseDown”事件触发.在事件结构中首先让Nextkit读取数据，它会自动将两通道的数据分别以数组的形式存储在缓存空间中.之后任务连接到用于获取数据特征值的子VI，实验中一般采用“平均值”得到的电平较为理想.读取电平程序框图如图3所示.

图3 读取电平程序框图

将每次执行时间结构得到的“平均值”通过输入到数组函数“Build Array”，并将这个函数的输出接到自己的输入，构成自循环，它的输出就是开路电压的数组.

将这2个数组编成簇的形式输入“Volt-Ampere curve”，前面板上就可以一步一步显示对应的数据图表，程序框图如图4所示.

图4 建立数组与输出图像程序框图

以上是利用VI实时测量电压数据的基本方法.

4 利用计算机实时测量进行硅光电池特性研究的实验设计

硅光电池作为一种新型能源，在光电技术、自动控制、计量检测、光能利用等很多领域得到广泛的应用.对硅光电池光学和电学性质的实验研究，有助于了解用以表征光电器件性能的研究方法及其技术手段，因此，很多高校都开设了硅光电池特性的研究实验项目.在教学中发现，使用传统的电压表、电流计、数字万用表等进行测量，学生很难准确判断实验结果的变化规律.只有通过进一步作图，才能对其有较为直观的了解.另一方面，为了获得较为准确的测量结果，往往需要测量较多组实验数据，费时费力.因此利用Lab-VIEW虚拟仪器平台在测量方式上进行了改进.

4.1 测定照度特性

当有光照时，光子会在硅光电池内部激发电子-空穴对，如果在两端加负载时有光生电流，其电流强度为

当硅光电池在开路状态时（I＝0），开路电压为

实验时，用恒流源驱动LED，光照使硅光电池产生光生电动势.把开路电压的两端以差分电压的形式接入数据采集卡的输入通道1，再通过USB将采集卡与计算机连接.手动调节LED驱动电流，然后点击“GET DCV”按钮，表格第2行就会自动记录对应的电池电压，如图5所示.在记录数据的同时下方的坐标系自动将新记录的数据补充完整，从而自动绘制照度曲线.坐标的横轴代表LED的驱动电流，纵轴代表光伏电池的开路电压.

图5 照度特性用户界面

可以看到，在用户界面上实时描绘出的这条曲线在实验过程中符合式（2）所描述的对数关系.

4.2 测定输出特性

硅光电池的输出功率与其外部负载电阻有关.在一定的照度下，输出功率达到最大值时的负载电阻Rm称为最佳负载电阻，此时能量转换效率最高.最佳负载电阻Rm会随光强变化.

比起之前测量开路电压的电路，仅需给电池加上负载电阻，从而形成稳定的电流回路即可进行这一部分的实验.为实现功率自动计算，将这一步和负载功率曲线的绘制放在一起，点击前面板上的“get the curve”按钮，触发图6中的事件结构，前面板自动分析计算功率并绘制负载功率曲线.值得注意的是因为在VI的另一个并行线程下使用电压和电阻的数组，所以需要使用图6中所示的局部变量.其运行结果如图7所示，横轴是负载电阻R，纵轴为作用在R上的输出功率.

图6 绘制负载功率曲线程序框图

图7 负载功率曲线

通过图形可以发现，最佳负载电阻Rm的取值在1.1 kΩ左右.在最佳负载电阻值以下，电池输出功率随负载电阻R的增大而急速增加；超过了最佳负载电阻值，输出功率以相对较平缓的速率下降，最终趋向于零.值得注意的是，随着R的增大，电池加在R两端的电压始终是增加的，只是增加速率渐缓了.

5 结束语

用虚拟仪器平台进行了硅光电池特性的研究与应用，省去了电压表、电流表等较为笨重的仪器，且使得学生免去了在学习时除实验操作基本技能外的机械重复的动作，如数据记录、描绘曲线等，使得操作和结果可以更直接地联系在一起，也可以让学生更直观地理解实验的原理.

［1］ 张玉峰，何方，朱德权.虚拟仪器在大学物理实验教学中的应用［J］.濮阳职业技术学院报，2006，19（3）：

［2］ 杨杨，王锦辉.虚拟仪器在大学物理实验中的应用［J］.物理与工程，2009，19（1）：26-28.

［3］ 余观夏，林扬帆，苏峻，等.振动法同时测定动态杨氏模量和剪切模量［J］.物理实验，2011，31（3）：1-3.

［4］ 泛华测控.Nextkit［使用说明/PDF］［EB/OL］.http：//nextpad.wordpress.com/？s＝Nextkit，2014.

［5］ 贾慧芹.虚拟仪器设计［M］.北京：机械工业出版社，2012：170-173.

［6］ 周求湛，刘萍萍，钱志鸿.虚拟仪器系统设计及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011：1-13.

［责任编辑：任德香］

Study of the properties of photovoltaic cells based on LabVIEW

DAI Hao-ting，NI Chen，FANG Kai，HE Yu-hua
（School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The properties of photovoltaic cells were studied based on Lab VIEW and the graphic programming platform developed by National Instruments.With the help of an data acquisition card，based on Nextkit of Pansino Solutions，real-time measurement to make the experiment audio-visual was implemented.That was convinient for students to learn the modern measurement techniques，such as virtual instruments，dynamic measurement and so on.

photovoltaics；Lab VIEW；virtual instruments

O4-39

A

1005-4642（2014）10-0018-03

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2014-06-24；修改日期：2014-07-25

戴皓珽（1994－），男，浙江杭州人，同济大学物理科学与工程学院2012级本科生.

指导教师：倪 晨（1971－），男，上海人，同济大学物理科学与工程学院高级工程师，硕士，主要从事凝聚态物理科研与物理实验教学工作.