太阳电池稳态双通道I-V特性测试方法研究

郄毅鹏，董 莉，姚元鑫

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

太阳电池稳态双通道I-V特性测试方法研究

郄毅鹏，董 莉，姚元鑫

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

通过分析太阳电池I-V特性的实验室测试方法，研究一种适用于稳态光源下的双通道I-V特性测试方法，在原有单通道四线制测试方法的基础上增加另一个通道，用于参考电池的同步测试，在太阳电池进行I-V测试后，通过逐点修正的方法对测试数据进行处理，得出更为准确的I-V曲线。该方法可以有效减少稳态光源的不稳定性对测试造成的影响，提高测试系统的准确度和重复性。

太阳电池；双通道I-V特性测试方法；稳态光源；太阳模拟器

在实验室进行太阳电池I-V特性曲线的测试，需要模拟太阳电池最基本的工作环境——阳光光照，通常使用的设备是太阳模拟器。太阳模拟器按照其工作方式可分为稳态光源和瞬态光源两种。稳态模拟器是以短弧氙灯作为光源，可以像照明灯一样进行连续照射，光斑直径一般在10～35 cm，适用于测试单体电池片，使用电子负载或数字源表测量其I-V特性。瞬态模拟器是以脉冲氙灯作为光源，以闪光模式发射光束，有效光照面积直径一般在2～5 m，适用于太阳电池组件测试，在测试中必须使用配套的电子负载和参考电池进行I-V特性测量，并通过软件对数据进行修正。

测试单体高效多结太阳电池需要使用AAA级稳态太阳模拟器，要求其辐照不均匀度、辐照不稳定度、光谱失配误差分别达到A级指标。其中，A级不稳定度是≤±1%，可直接造成测试误差1%。而且在实际使用过程中，模拟器会受一些因素影响(比如随着氙灯的老化)，使其不稳定度会不断的提高，超出±1%的A级指标，很可能造成更大的测试误差。根据实际测量的数据发现，其测试误差接近2%。而这种现象在瞬态光源测试中不会造成较大的影响。这是因为使用瞬态光源进行测试时，可以通过测试参考电池的sc达到监测光强的目的，并且通过软件修正数据，使得它的相对不稳定度优于稳态光源。因此通过分析瞬态模拟器的工作模式，研究一种适用于稳态模拟器下的双通道测试方法，用于提高稳态模拟器的稳定性和重复性。

1 双通道测试原理

当测试温度、辐照度和标准测试条件不一致时，可用式(1)、(2)校正到标准测试条件[1-2]。

在瞬态光源下测试太阳电池的I-V曲线，如图1所示，瞬态光源下的双通道测试的实测数据，利用上述的校正公式将数据处理后，可得到一条结果精确的I-V曲线，如图2所示。

图1 瞬态光源下的双通道测试曲线

图2 修正后得到的I-V曲线

效仿瞬态光源系统的测试方法，建立稳态光源下的双通道I-V特性测试方法。在稳态双通道测试模式下，其中一个通道(I-V通道)对被测电池进行I-V特性测试，测试的同时，另一通道(监测通道)同步测试参考电池的短路电流值，用于监测光源的波动，并对I-V通道测出的电流数据进行逐点修正，修正至标准光强下的电流。在I-V特性测试前，需要校准参考电池在标准状态(或者所需状态)下的短路电流值。

2 稳态双通道测试方法的实现

要实现在稳态光源下的双通道测试方法，需要考虑各种因素对测试的影响。这些因素包括数据采集的同步性、太阳电池所处的环境状态以及光源的特性，其中环境状态主要是指温度对电池的影响。为了消除不利因素的影响，需要调整电测仪器和测试工装。

2.1 电测仪器

目前，实验室用于稳态模拟器测试太阳电池I-V特性所使用的电测仪器大多为数字源表，数字源表需要具有四线制、源测量及限流等基本功能，还应具备软件控制和数据传输功能，便于后续数据处理。选择具有双通道测试的数字源表，两个通道不仅具有上述功能，最重要的是具有同步源测量功能。本文所使用的是KEITHLEY2602B数字源表，它的双通道同步性较好，两个通道电压扫描时间偏差仅为40 μs，而且这种数字源表的采样时间是可调的。

2.2 测试工装

测量太阳电池I-V特性所使用的测试工装必须具备恒温和吸附功能。

首先在测试过程中需要测试工装对被测电池和监测电池同时进行恒温。这是因为太阳电池的电压和电流会随着温度变化发生改变，在稳态光源下照射，电池温度变化较大，对测试结果产生很大影响，在以往使用的单通道测试方法中要求测试工装控温在(25±1)℃。在双通道测试时，主要依靠参考电池的短路电流值修正测试结果，受温度影响更为严重，所以控温尤为重要。目前我们使用的测试工装，在以往的实验中验证过其恒温性能，在通入循环水过程中，能够保证太阳电池在光照10 s内，其开路电压的变化小于0.05%，满足太阳电池测试需求。

其次，测试工装能够将被测电池和监测电池吸附在其表面。其作用有两点：第一，对于背表面为一端电极的电池，能够降低其接触电阻，保证测试数据准确；第二，电池与测试工装的吸附接触有利于电池温度的恒定，减小测试误差。

另外，被测电池和监测电池吸附在测试工装表面时，其间距控制不大于10 mm。在稳态模拟器的有效光照区域内，光强波动是不均匀的，这是由模拟器内部短弧氙灯的工作模式造成的。光强变化的不均匀对双通道测试有一定的影响，会使工装上的监测电池与被测电池所受光照的波动不能保持一致，使其不能准确监测光强的变化，通过减小被测电池与监测电池的间距(不大于10 mm)，可以有效消除这一影响，在这里不做详细说明。

3 实验验证

3.1 双通道测试方法有效性的验证

图3 修正前后曲线的平滑度对比图

结果显示，修正前I-V通道的电流波动为±1.98%，经过双通道测试方法修正后的曲线波动为±0.26%。从而可以得出，利用双通道源测试方法可以有效减少稳态光源波动对测试造成的影响。

3.2 数据重复性的验证

利用稳态双通道测试方法对一片电池进行连续I-V特性测试，共测试20次。利用式(3)计算电池的主要电性能参数的电测偏差，测试结果如表1所示。

从表1的测试结果可以看出，电池的各项电性能参数在修正后的偏差均小于±0.5%，与数据修正前相比，其电测重复性大大提高了。因此，利用双通道测试方法减少了光源波动对测试造成的影响，优化了稳态模拟器的不稳定性。

表1 各项电性能数据修正前后的重复性偏差比对

4 结语

本文通过分析瞬态模拟器的工作模式，提出一种适用于稳态模拟器下的双通道I-V特性测试方法。该方法在原有单通道四线制测试方法的基础上增加另一个通道，用于参考电池的同步测试，在太阳电池进行I-V测试后，通过逐点修正的方法对测试数据进行处理，得出更为准确的I-V曲线，提高了测试系统的准确度和重复性。最后证实，利用该测试方法可以有效减少光源波动对测试造成的影响。

正是由于稳态双通道I-V测试方法具有上述优势，因此该方法主要用于工程上太阳电池片的性能筛选，由于其测试重复性的提高，可以大大降低电池片组合后的性能损失，间接地提高太阳电池板的性能，降低其生产成本。目前已将该测试方法用于太阳电池自动分检系统，以解决光源瞬时不稳定性和短时间内不稳定性造成的影响。

[1]李国欣.航天器电源系统技术概论[M].北京：中国宇航出版社，2008.

[2]刘晓东，张宁，赵慧玲.电池标准汇编[M].北京：中国标准出版社，2003.

Study of solar cell dual-channel I-V characteristic test method based on steady light source

A solar cell dual-channel test method based on steady light source by analyzing the solar cell I-V characteristic laboratorial test method was proposed. On the basis of the original single channel four wire test method,another channel was added to use for reference cell synchronism test in this method.After test,the more accurate I-V curve was got through point by point correction method to deal with test data.The results show that this test method can effectively reduce the effects of steady light source instability of the test. The accuracy and repeatability of the test system were increased.

solar cell;dual-channel I-V characteristic test method;steady light source;solar simulator

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2155-02

2015-03-19

郄毅鹏(1980—)，男，山西省人，工程师，主要研究方向为太阳电池。