一种太阳能光伏电池电气性能的测试

太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。

PV:photovoltaic缩写，指利用太阳能发电，光伏行业。光伏发电是太阳能发电技术的一种， 是根据光生伏打效应原理产生的电能，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源;二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地厂各种灯具等

PV电池采用各种吸光材料制作，包括结晶和非晶硅，碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒化物(CIGS)材料制成的薄膜，以及有机/聚合物类的材料。

PV电池的等效电路模型(如图1所示)能够帮助我们深入了解这种器件的工作原理。理想PV电池的模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管。光源中的光子被太阳能电池材料吸收。如果光子的能量高于电池材料的能带，那么电子就被激发到导带中。如果将一个外部负载连接到PV电池的输出端，那么就会产生电流。

PV电池/光子hυ/负载

图1.由一个串联电阻(RS)和一个分流电阻(rsh)和一个光驱电流源构成的光伏电池等效电路。

由于电池衬底材料及其金属导线和接触点中存在材料缺陷和欧姆损耗，PV电池模型必须分别用串联电阻(RS)和分流电阻(rsh)表示这些损耗。串联电阻是一个关键参数，因为它限制了PV电池的最大可用功率(PMAX)和短路电流(ISC)。

PV电池的串联电阻(rs)与电池上的金属触点电阻、电池前表面的欧姆损耗、杂志浓度和结深有关。在理想情况下，串联电阻应该为零。分流电阻表示由于沿电池边缘的表面漏流或晶格缺陷造成的损耗。在理想情况下，分流电阻应该为无穷大。

要提取光伏电池的重要测试参数，需要进行各种电气测量工作。这些测量通常包含直流电流和电压、电容以及脉冲I-V.

直流电流-电压(I-V)测量(提供V测量I)

可以利用直流I-V曲线图对PV电池进行评测，I-V图通常表示太阳能电池产生的电流与电压的函数关系(如图2所示)。电池能够产生的最大功率(PMAX)出现在最大电流(IMAX)和电压(VMAX)点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。我们可以利用基本的测量工具(例如安培计和电压源)，或者集成了电源和测量功能的仪器(例如数字源表或者源测量单元SMU)，生成这种I-V曲线图。为了适应这类应用的需求，测试设备必须能够在PV电池测量可用的量程范围内提供电压源并吸收电流，同时，提供分析功能以准确测量电流和电压。简化的测量配置如图2所示。

电池电流(mA)/最大功率面积/电池电压

图2.该曲线给出了PV电池的典型正偏特性，其中最大功率(PMAX)出现在最大电流(IMAX)和最大电压(VMAX)的交叉点。

太阳能电池

图3.对太阳能电池进行I-V曲线测量的典型系统，由一个电流源和一个伏特计组成。

测量系统应该支持四线测量模式。采用四线测量技术能够解决引线电阻影响测量精度的问题。例如，可以用其中一对测试引线提供电压源，用另一对引线测量流过电池的电流。重要的是要把测试引线放在距离电池尽可能近一些的地方。

图4给出了利用SMU测出的一种被照射的硅太阳能电池的真实直流I-V曲线。由于SMU能够吸收电流，因此该曲线通过第四象限，并且支持器件析出功率。

图4.正偏(被照射的)PV电池的这种典型I-V曲线表示输出电流随电压升高而快速上升的情形。

其它一些可以从PV电池直流I-V曲线中得出的数据表征了它的总体效率--将光能转换为电能的好快程度--可以用一些参数来定义，包括它的能量转换效率、最大功率性能和填充因数。最大功率点是最大电池电流和电压的乘积，这个位置的电池输出功率是最大的。