郭棟梁， 楊文振， 劉 禹， 劉 江， 鄧永強， 廖 成， 何緒林， 梅 軍

(1. 中物院成都科學技術發(fā)展中心， 四川 成都 610200； 2. 成都項目管理學會， 四川 成都 610000； 3. 江南大學 機械工程學院， 江蘇 無錫 214122)

0 引 言

能源危機和環(huán)境問題開始成為限制人類發(fā)展的重大問題. 太陽能憑借著其存量豐富、 使用過程環(huán)保無污染和用之不竭的特點成為新一代清潔能源的首選. 圍繞新型薄膜半導體的光伏應用以及一些微納材料與器件的開發(fā)是當前基礎研究中的重要課題[1]. 其電學特性的測試設備在材料與器件開發(fā)中扮演著重要角色. 目前， 針對薄膜電池測試實驗技術所采取的主要手段為對單個電池組進行逐一手動測試， 整個工作效率極低， 損失了光伏樣品性能測試中的實時性優(yōu)勢. 最近， 我國材料基因計劃提出對于高轉換效率的新型薄膜電池[2-10]， 利用材料基因工程[11]的方法快速研發(fā)就需要完成大量的測試實驗， 將軟件自動化控制技術與材料測試相結合， 建立多通道測試技術， 對不同材料的性能數(shù)據(jù)進行快速充分挖掘、 整理和分析， 可極大縮短研發(fā)周期.

針對電池測試的一個重要研究內(nèi)容是開展電池電流I-電壓V性能測試[12]. 現(xiàn)有市場以及實驗室中測試設備的研究多針對硅基太陽能電池[12-20]， 價格較高， 且對于新型薄膜電池在電池固定和電極接觸等方面考慮不夠充分， 導致新型薄膜電池的測試工作效率低. 同時， 測量過程中的多個夾具采用， 造成操作繁瑣， 甚至對電池樣品遮擋， 從而影響電池效率的準確性. 反復調(diào)整測試夾具異常繁瑣， 可能造成測量誤差， 甚至對精密的光電器件造成不可逆的損壞. 所以領域科研發(fā)展急需針對新型薄膜電池I-V特性開發(fā)多通道測試裝置.

本文針對光伏電池的多通道測試表征需求， 結合單片機、 源表、 太陽光模擬器為一體的多通道快速測量系統(tǒng)， 不僅可以快速獲取多個電池的I-V測試曲線， 并且提供擬合實驗參數(shù)從而計算出光伏電池性能參數(shù).

1 測試系統(tǒng)設計

圖 1 光伏電池樣品多通道I-V測試系統(tǒng)Fig.1 Multi-channel I-V measurement system for photovoltaic devices

本系統(tǒng)針對光伏電池的I-V特性進行測量， 并對測量結果進行數(shù)據(jù)處理， 計算出電池光伏性能參數(shù). 系統(tǒng)包括上位機、 下位機和測量模塊， 并提供了通信設置、 參數(shù)設置、 數(shù)據(jù)顯示和保存功能. 本系統(tǒng)主要包括待測光伏電池樣品、 數(shù)字源表Keithley 2400、 太陽光模擬器、 通道切換電路以及基于LabVIEW開發(fā)的軟件系統(tǒng). 太陽光模擬器采用卓立漢光150W-AAA級太陽光模擬器， 具有光束準直、 光斑均勻、 光譜與太陽光匹配度高等特點. 出射光斑大小為40 cm×40 cm， 最大輻照度1 200 W/m2， 光譜匹配度為A級匹配， 不均勻度2% A級， 不穩(wěn)定度2% A級.

為了保證測試準確性和快速性， 本系統(tǒng)(如圖 1 所示)采用電壓源、 電流源、 電壓表、 電流表4合1的適用于快速測試的儀器Keithley 2400. 測量源表的加載電壓電流精度高、 信號采集速度快、 控制方式簡便， 能夠很好地適應光伏電池性能表征.

2 測試裝置設計

2.1 硬件設計

圖 2 多通道測試電路板硬件實物圖Fig.2 Image of printed circuit board for multi-channel measurement

在實際應用中， 每個測試基底包含多個不同的電池材料樣品. 為實現(xiàn)多通道測試功能， 每個電池樣品在完成測試后， 基底保持原位， 而測試系統(tǒng)需要切換至下個通道以準備新的測試. 本系統(tǒng)(如圖 2 所示)對此專門設計用來進行通道快速切換的電路板， 選用了相應的微控制芯片(MCU)、 繼電器、 USB轉串口芯片、 電壓反向芯片， 模擬開關等相關部件， 并自主設計了電池夾具與多觸點探頭. 系統(tǒng)通過USB接口對芯片供電， LabVIEW通過串口與單片機進行通訊. 指令下發(fā)到單片機之后控制相應的管腳輸出電壓信號以控制繼電器通道的通斷， 系統(tǒng)中的5路LED燈可用來實時監(jiān)測通道的測量狀態(tài). 另外對于非標準測試樣品數(shù)的電池， 單獨設計了5個手動通道， 可為系統(tǒng)的通道切換提供手動方式.

傳統(tǒng)的測試設備中光伏電池固定采用的是“夾持式”固定方式. 這種固定方式不僅可能會對電池表面造成一定的劃傷， 還會因為夾持裝置的遮擋導致電池尺寸需要擴大甚至使得樣品受光照不均勻. 因此， 本系統(tǒng)的電學接觸采用彈簧針式的單向多點接觸設計. 彈簧針材料為銅， 系統(tǒng)中線路的電阻小于0.2 Ω， 電池測試開路電壓為1 V， 電流為2 mA， 故系統(tǒng)電阻造成的壓降為0.2 mV， 系統(tǒng)測試誤差小于1‰. 這種接觸方式能夠滿足傳統(tǒng)測量中信號的導出， 同時彈簧針的可壓縮結構也能夠消除因為多樣品測試下各個樣品表面受力不均而導致的虛接觸現(xiàn)象， 提高了器件電學接觸的可靠性.

2.2 軟件設計

LabVIEW實驗室虛擬儀器工作平臺因其便利性、 廣泛的適應性、 多分析函數(shù)、 高編程效率被廣泛使用在測試系統(tǒng)中[21-23]， 用戶可以根據(jù)自身的測量需求在LabVIEW 的前面板設置測量參數(shù). 本系統(tǒng)中使用LabVIEW 同Keithley源表和上述硬件電路進行通信， 實現(xiàn)電壓電流信號加載和采集. 并且通過LabVIEW的強大功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和I-V曲線擬合， 以自動得到各個樣品的性能關鍵參數(shù).

在整個系統(tǒng)測量的設計中， 為了方便用戶使用， 控制面板采用了如圖 3 所示的模塊化設計思想. 從圖 3 中可以看出： 系統(tǒng)中包括單片機配置模塊、 源表配置模塊、 測量模式配置模塊和測量結果顯示模塊， 系統(tǒng)中除基本的配置外， 還可以選擇加壓測量和加載電流測量、 配置服從等級、 起始值和最終值、 測量點數(shù)， 測量時間和觸發(fā)延時等.

圖 3 多通道測試系統(tǒng)軟件Fig.3 Graphical interface of software for multi-channel measurement system

首先對使用LabVIEW 編寫的測試軟件進行初始化的設置， 連接單片機和Keithley端口后對單片機和源表進行配置設置. 按照測試需求進而設置電路和源表的服從等級、 掃描范圍、 測量點數(shù)、 觸發(fā)時間等； 然后按照測量需求選擇測量模式、 循環(huán)測量次數(shù)間隔時間、 測量方向、 四端子測量等. 開始測試時， 由Keithley 源表對電池進行加壓， 在太陽光模擬器的照射下加載電壓， 鈣鈦礦電池會產(chǎn)生相應的電流， 通過在標準模式下對電壓電流信號的采集和處理便可以得到電池的填充因子和電池轉換效率.

在測量模式配置模塊， 用戶可以根據(jù)自身的需求選擇單次測量和連續(xù)測量. 單次測量中又可以選擇測量的通道、 測量的次數(shù). 連續(xù)測量時， 選中單片機和Keithley的串口進行基本的配置， 如設置觸發(fā)時間、 測量點數(shù)、 峰值電壓、 服從等級等， 將樣品固定在樣品平臺中， 選擇正掃模式或者是反掃模式， 配置完成后， 點擊開始， 系統(tǒng)將對每個子電池逐步進行電壓電流測試. 5個虛擬布爾指示燈可以實時顯示某個電池的測量狀態(tài). 顯示模塊中， 測試系統(tǒng)根據(jù)采集到的信號將數(shù)據(jù)擬合成為電池的I-V曲線， 同時經(jīng)過后面板數(shù)據(jù)處理后還得出了電池的短路電流、 開路電壓、 最大功率、 填充因子等相關參數(shù). 由于測量的數(shù)量較大， 我們同時提供了儲存路徑， 用戶可根據(jù)自己的需求進行命名和儲存.

2.3 后臺算法設計

本系統(tǒng)采用了嵌套式的循環(huán)結構， 內(nèi)部的核心分為平鋪式3部分：

1) 完成Visa端口的打開和接入后的一些基本參數(shù)配置， 通過調(diào)用串口通信插件生成串口輸入控件， 在單片機接入計算機時， 計算機自動識別串口標識， 通過選擇找到指定的通信串口； 然后進行串口的配置， 包括波特率奇偶校驗位等； 完成串口通信設置之后需要將指定的指令進行寫入， 通過Keil進行單片機指令的編寫， 串口燒寫助手將其寫入單片機內(nèi)部. 當前置面板用戶選擇不同測試方式時， 相應的控制指令會通過LabVIEW后臺程序進行選擇， 對應不同測試方式的指令通過串口寫入單片機， 單片機進行字符串的識別匹配， 完成端口高低電平輸出和反饋指令串口輸出.

2) 根據(jù)Keithley數(shù)據(jù)手冊， 相應的控制指令寫入源表控制芯片時， 源表將電壓等信號加載并采集回來， 進行算法上的處理， 并運用LabVIEW提供的擬合函數(shù)進行曲線擬合， 得出系統(tǒng)的短路電流和開路電壓填充因子[24, 25]

可以看出， 當表征電池能量轉換效率為PCE時， 需要測量開路電壓Voc和短路電流密度jsc、 填充因子FF和太陽光強度pm. 在我們的設計中， 將采集回來的數(shù)據(jù)用4階多項式函數(shù)進行擬合， 最終得到電池I-V曲線參數(shù)， 經(jīng)過計算得出電壓開路電壓和短路電流， 進而得到填充因子和光電轉化效率.

3) 數(shù)據(jù)顯示和保存. 在表征電池效率時， 通過后臺程序設計好基本的命名規(guī)則， 將所要保存的文件名的格式在前臺進行輸入， 名稱在后臺進行一定的編輯， 使其成為標準的命名方式， 保存路徑同樣按照標準的格式進行設置， 這樣在數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)酱颂帟r便可以將其按照規(guī)則依次寫入指定的文件當中， 方便數(shù)據(jù)的管理和后期的查詢.

3 系統(tǒng)實測結果

圖 4 五通道測試結果Fig.4 Test results based on the 5-channel measurement system

利用本測試系統(tǒng)對有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池 (ITO/TiO2/ FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45/spiro-OMeTAD/Au)的伏安特性曲線進行了多次測試實驗. 實驗的結果表明測量準確度和重復性高， 取其中的一次5組數(shù)據(jù)畫出的電壓電流密度曲線如圖 4 所示. 其顯示了本文開發(fā)的多通道測試系統(tǒng)， 研究者可以對樣品襯底的各個子電池進行快速測試， 并完成數(shù)據(jù)存儲和處理， 其整體操作提高了實驗效率. 另外， 我們還可以設置定時程序， 對多個鈣鈦礦電池同時進行穩(wěn)定性測試， 省去了傳統(tǒng)逐個測試的不便. 并且， 在多個樣品的測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)劃傷等影響， 夾具沒有對太陽光照造成影響， 所以測量的結果更準確更接近真實的水平， 多次測量結果一致度高.

4 結束語

隨著光伏產(chǎn)業(yè)越來越受重視和薄膜電池的快速發(fā)展， 對于薄膜太陽能電池材料設計的快速篩選尤其重要， 而其中需要建立更為快速的檢測手段. 本系統(tǒng)憑借建立的多通道測試系統(tǒng)， 能夠快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集， 完成一致程度高的測試目的， 能夠適應光伏電池研發(fā)中的快速檢測， 應用前景廣闊.

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