劉 野, 劉振泰, 張 健, 韓 煒, 李傳南

(吉林大學 a. 電子科學與工程學院; b. 集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室； c. 物理學院, 長春 130012)

0 引 言

太陽能作為一種清潔的可再生能源, 一直被人們寄予厚望以替代目前大量使用的化石能源, 解決化石能源造成的環(huán)境污染及其存量有限的問題, 因此, 太陽能電池的研究和制造一直是新能源領域的熱點[1-3]。在研制、 生產(chǎn)等過程中需對太陽能電池的性能進行測試, 而其J-V(Current Density-Voltage)特性的測量無疑是各種表征手段中最直觀、 有效且應用最廣泛的一種方法[4,5]。通過測試J-V特性, 可得到太陽能電池的短路電流Isc、 開路電壓Voc、 填充因子FF(Fill Factor)、 光電轉(zhuǎn)換效率η、 最佳工作電流Jm、 最佳工作電壓Vm、 最大功率Pm、 串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等參數(shù), 這些參數(shù)的獲取對太陽能電池的研究、 生產(chǎn)及應用必不可少[6-8]。

目前市場上常見的太陽能電池J-V特性測試系統(tǒng)有Spire、Newport、Agilent和卓立漢光等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品[9], 都是較大型的太陽能電池測試系統(tǒng), 其整體功能全且性能較好, 具有較高的測試精度和良好的光源穩(wěn)定性。但這類設備系統(tǒng)復雜, 價格昂貴, 只能對單個已封裝好的器件進行測量, 并用光輻照計定時校準太陽模擬器的輸出光強, 使用不方便。因此, 研發(fā)一種適用于一般實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場應用的較簡易、 價格較低且自動化程度高的太陽能電池J-V特性測試系統(tǒng)有重要的應用價值和推廣意義。筆者采用氙燈作為太陽光模擬光源, 采用數(shù)字源表Keithley2400作為太陽能電池器件的電子負載, 并向太陽能電池施加外加電壓, 同時測量太陽能電池的輸出電流, 結(jié)合功率為500 W的短弧氙燈及其驅(qū)動電源, 通過上位計算機和自主設計的太陽能電池測試軟件、 測試底座和相關(guān)硬件電路, 實現(xiàn)了一種具有光強校準功能的太陽能電池多器件的J-V特性自動測試系統(tǒng)。由于氙燈壽命一般為600～1 000 h, 因此筆者還設計了對氙燈工作時長計時的電路, 在氙燈工作時長到達其壽命時報警。該測試系統(tǒng)成本較低, 可根據(jù)不同的實驗要求進行設計和改裝, 具有一定的靈活性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及其原理

筆者研制的太陽能電池多器件J-V特性自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示, 其中主要包括上位PC機和太陽能電池J-V特性測試軟件、 數(shù)字源表Keithley2400、 氙燈光源及其驅(qū)動電源、 多器件測試切換電路、 標準光電二極管和光源調(diào)光電路、 光源工作時長檢測電路和多器件測試底座等部件。

圖1 太陽能電池J-V特性測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the J-V measurement system for solar cells

設計的太陽能電池多器件J-V特性自動測試系統(tǒng)主要功能如下： 測試太陽能電池的J-V特性、 計算器件的短路電流Isc、 開路電壓Voc、 填充因子FF、 光電轉(zhuǎn)換效率η、 最大功率Pm等太陽能電池的參數(shù)； 為便于測量人員觀察, 系統(tǒng)可實時在測量界面繪制出J-V曲線, 可保存和導出測試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)同時可實現(xiàn)多個器件的自動測量, 提高測試速度； 系統(tǒng)還具有氙燈光強自動校準以及光源工作時長計算和超時報警功能。

測試系統(tǒng)中, 采用數(shù)字源表Keithley2400作為太陽能電池的外加可變電子負載, 施加可按設定步長變化的外加電壓, 同時測量在標準太陽光照射下太陽能電池產(chǎn)生的光生電流； 氙燈作為太陽光模擬光源, 其驅(qū)動電路在調(diào)光電路的作用下可以調(diào)節(jié)氙燈工作電流, 以調(diào)節(jié)輸出光強, 系統(tǒng)中采用經(jīng)過校準的高精度濱松光電二極管(型號S1133-01)測量氙燈光強, 每次開機都對光強進行測量和調(diào)節(jié), 該電流也通過數(shù)字源表Keithley2400測量并傳送到測試軟件； 上位PC機及其測量程序分別通過RS232接口和USB口連接數(shù)字源表Keithley2400與氙燈調(diào)光電路, 控制J-V特性的測量過程和實現(xiàn)氙燈光強調(diào)節(jié), 并處理J-V曲線的相關(guān)測試數(shù)據(jù)。PC機測量程序還控制多器件測試切換模塊完成不同器件的切換, 同時系統(tǒng)中加入了硅光電二極管構(gòu)成的氙燈工作檢測和計時電路模塊, 以檢測氙燈的實際工作時長。由于氙燈的工作時間超過額定的時間后, 其光強、 穩(wěn)定性和均勻度都將大幅下降, 必須更換新的氙燈以保證測量的可靠性。

筆者設計的太陽能電池J-V特性測試系統(tǒng)的程序流程如圖2所示。

圖2 太陽能電池J-V特性測試系統(tǒng)的程序流程圖Fig.2 Flow chart of the program for the J-V measurement system for solar cells

程序啟動后, 光源工作計時模塊檢測氙燈是否開啟, 若開啟則程序開始計時。隨后, 校準氙燈光強, 為器件的測試提供100 mW/cm2標準測試光照。程序接到測試的指令后, 將測量測試底座上的待測器件接入數(shù)字源表Keithley2400進行J-V特性測試, 并處理測試得到的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成

系統(tǒng)主要包括多器件自動測量、 光強自動校準和光源工作計時3個模塊, 氙燈驅(qū)動電路可參考相關(guān)文獻[10-13]。

2.1 多器件自動測量模塊

多器件自動測量模塊的程序流程圖如圖3所示。當測試開始時, 太陽能電池J-V特性測試軟件通過RS232串口將相關(guān)的測試參數(shù)設置發(fā)送到數(shù)字源表Keithley2400, 并將器件的測試要求通過RS232串口發(fā)送到多器件測量切換電路, 該電路通過繼電器控制測試底座上的觸點的接通與斷開, 切換各待測的器件。數(shù)字源表Keithley2400在每個器件測量結(jié)束后將測量結(jié)果發(fā)送到測試軟件中進行處理和保存。

多器件自動測量切換電路由8052單片機電路和10個繼電器組成, 繼電器與測試底座上的測試觸點通過導線對應連接, 單片機根據(jù)上位PC機發(fā)送的指令, 使相應的繼電器與電源接通, 對測試底座上的太陽能電池進行測量。多器件測量切換電路的功能框圖如圖4所示。

圖3 多器件自動測量的程序流程圖 圖4 多器件測量切換電路的功能框圖 Fig.3 Flow chart of the program for multi-sample automatic measurement Fig.4 The functional diagram of the switching circuit of multi-sample measurement

2.2 光強自動校準模塊

在太陽能電池器件的測試中, 氙燈光源需提供100 mW/cm2的標準模擬太陽光照, 在現(xiàn)有的測試系統(tǒng)中, 一般采用輻照計對氙燈光源進行手動校準。但這種校準方式存在以下問題： 1) 氙燈工作一段時間后, 其光強會有一定程度的衰減, 如不及時校準氙燈光強, 會對器件的測試結(jié)果有影響； 2) 調(diào)節(jié)過程不方便且精度不高。

為提高氙燈光源的光照精度和測試效率, 系統(tǒng)中采用經(jīng)過校準的標準光電二極管(濱松S1133-01)在100 mW/cm2光照下的短路電流ISC作為校準參數(shù)。為此, 多次測量了濱松硅光電二極管在100 mW/cm2下的短路電流, 其中最大值Imax=2.041 mA, 最小值Imin=2.027 mA, 平均值為2.036 mA, 因此, 將光照調(diào)節(jié)標準設置為2.027～2.041 mA, 其誤差約為0.44%。

光強自動校準模塊采用單片機Stm32F103輸出一個PWM(Pulse Width Modulation)波到調(diào)光電路, 以控制氙燈的驅(qū)動電流。當濱松硅光電二極管測得模擬太陽光電流并輸入到上位PC機, 測試軟件判斷其誤差大小, 并通過單片機Stm32F103輸出相應的PWM波(占空比0～100%, 10 kHz), 經(jīng)圖5所示的調(diào)光電路后, 產(chǎn)生0～10 V的直流電壓, 輸出到氙燈電源的調(diào)光控制接口, 調(diào)節(jié)氙燈的工作電流, 進而校準氙燈的光強。

圖5所示電路中, 單片機發(fā)出的PWM波輸入到I/O口, 經(jīng)過濾波后, 通過運算放大器進行電壓放大3.4倍, 然后通過三極管輸出。單片機輸出的PWM波和其經(jīng)過調(diào)光電路后的輸出電壓關(guān)系如圖6所示。該模塊的程序流程如圖7所示。

圖5 PWM波到調(diào)光電壓轉(zhuǎn)換電路 圖6 PWM波占空比與調(diào)光電壓輸出電路VO的關(guān)系曲線Fig.5 PWM wave to dimming voltage conversion circuit schematic Fig.6 Impact of PWM duty ratio on the output voltage of the dimming voltage conversion circuit

圖7 氙燈光強自動校準程序流程圖Fig.7 Flow chart of the program for xenon light intensity auto-calibration

打開氙燈光源后, 光強自動校準程序開始運行, 通過單片機及調(diào)光電路輸出5 V直流電壓到氙燈的調(diào)光控制接口, 此時, PC端測試軟件結(jié)合濱松硅光電二極管在當前光強下的短路電流ISC, 將其與在標準光照下的短路電流范圍(Imin,Imax)進行比較。若ISC>Imax, 則增大調(diào)光電壓, 使氙燈電源輸出電流減小; 若ISC

2.3 光源工作時長計時模塊

由于該系統(tǒng)所采用的氙燈光源工作壽命為600 h, 因此采用普通硅光電二極管作為光源工作信號, 通過光源工作檢測電路, 將光源工作的信號傳輸?shù)缴衔籔C機, 在測試軟件對光源的工作時長進行計時。

光源工作檢測電路如圖8所示。感光元件硅光電二極管的信號放大33.3倍后輸入到比較器,Vref設定為5 V。當氙燈開啟時Vo=6.09 V, 比較器輸出高電平到單片機； 當氙燈關(guān)閉時Vo=2.20 V, 比較器輸出低電平。氙燈工作時長計時模塊的程序流程圖如圖9所示。

當氙燈開啟光源工作檢測電路輸出高電平到單片機, 向上位PC機發(fā)送相應的信號, 測試軟件開始計時； 當氙燈關(guān)閉, 光源工作檢測電路輸出低電平到單片機, 使測試軟件停止計時, 并將計時結(jié)果保存在測試軟件的界面上。當計時結(jié)果達到600 h后, 測試軟件會彈出報警對話框, 提醒工作人員更換氙燈, 以保證測試工作有效精確地進行。

圖8 光源工作檢測電路原理圖 圖9 氙燈工作時長計時功能的程序流程 Fig.8 The schematic diagram of light source monitoring circuit Fig.9 Flow chart of the program for recording of xenon lamp working time

3 實驗結(jié)果

3.1 光強校準模塊的實驗結(jié)果

分別選取104.4、 95.6和103.2 mW/cm2作為氙燈的初始光強進行校準, 校準后實驗結(jié)果如表1所示。經(jīng)過氙燈光強自動校準, 可將光強由104.4 mW/cm2,95.6 mW/cm2,103.2 mW/cm2的輻照度調(diào)節(jié)至100 mW/cm2左右, 校準后的誤差范圍小于1%, 滿足實驗要求。

表1 光強自動校準的實驗結(jié)果

3.2 多器件自動測量結(jié)果及分析

測試軟件采用Visual Basic語言編寫, 界面包括以下內(nèi)容： 測試參數(shù)設置、 多器件自動測試控制、 測量結(jié)果顯示、 J-V曲線顯示、 光源工作時長顯示和測試結(jié)果保存。測試軟件界面如圖10所示。

實驗測量采用一種有機薄膜太陽能電池, 如圖11所示。該器件的結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/P3HT:PC71BM/MoO3/Ag。光從透明的陰極照入, 采用氧化鋅等作為電子傳輸層修飾透明陰極, Ag作為陽極收集空穴, MoO3作為陽極緩沖層, P3HT∶PC71BM作為有源層[14,15]。

圖10 太陽能電池J-V特性測試軟件界面 圖11 用于測量的有機太陽能電池的結(jié)構(gòu) Fig.10 The interface of the solar cell test software Fig.11 The device structure of the organic solar cell to be measure

圖10所示的太陽能電池J-V特性測試軟件界面中, 點擊“auto”按鈕后, 多器件自動測量模塊從第1個器件開始測試, 測得數(shù)據(jù)后的軟件界面如圖12所示。

由圖12可知, 該器件的短路電流密度Jsc=10.04 mA/cm2, 實驗用單元器件的面積為4 mm2, 開路電壓Voc=0.6 V, 填充因子FF=0.466, 最大功率Pm=0.116 mW, 光電轉(zhuǎn)換效率η=3.9%。在圖12中軟件界面的上方顯示光源的工作時長累計為12 h 20 min 45 s。

圖12 多器件自動測量的實驗結(jié)果Fig.12 The result of multi-sample automatic measurement

4 結(jié) 語

筆者設計了一種具有光強校準功能的太陽能電池多器件自動測試系統(tǒng), 系統(tǒng)由上位PC機及其測試軟件、 數(shù)字源表Keithley2400、 輸出功率為500 W的氙燈光源及其驅(qū)動電源、 多器件自動測量電路、 自動調(diào)光電路和光源工作時間測量電路等模塊構(gòu)成。上位機測試軟件采用Visual Basic語言編寫, 并能依據(jù)在標準光電二極管測得的光電流, 通過單片機控制的調(diào)光電路實現(xiàn)氙燈光強的自動校準；同時測試軟件通過數(shù)字源表Keithley2400和多器件自動測量電路測得各器件的J-V特性, 并計算器件的效率等參數(shù)； 測試軟件可對光源工作時長進行計時, 并在達到光源的額定時長時發(fā)出報警信號。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)達到了既定的設計目標, 且成本較低、 自動化程度較高, 便于實驗室對光伏器件的測試, 也可用于生產(chǎn)現(xiàn)場測試等場所。

參考文獻：

[1]劇晶晶. 我國太陽能光伏發(fā)電的可行性研究與展望 [J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2017(14): 67,68.

JU Jingjing. Feasibility Study and Prospect of Solar Photovoltaic Power Generation in China [J]. Shandong Industrial Technology, 2017(14): 67,68.

[2]謝欣榮, 李京振, 李嘉兆. 化合物半導體薄膜太陽能電池研究進展 [J]. 廣東化工, 2017, 44(22): 103-105.

XIE Xinrong, LI Jingzhen, LI Jiazhao. The Research Progress of Compound Semiconductor Thin Film Solar Cells [J]. Guangdong Chemical Industry, 2017, 44(22): 103-105.

[3]祁黎, 王俊, 黃建業(yè), 等. 聚合物太陽能電池穩(wěn)定性試驗方法最新進展 [J]. 環(huán)境技術(shù), 2017, 35(5): 36-42.

QI Li, WANG Jun, HUANG Jianye, et al. Resent Advances of Stability Testing Methods for Polymer Solar Cell [J]. Environmental Technology, 2017, 35(5): 36-42.

[4]唐超凡, 賈京英, 王娟, 等. 太陽能電池測試分選設備運動控制系統(tǒng)設計 [J]. 電子工業(yè)專用設備, 2014, 43(9): 37-41,52.

TANG Chaofan, JIA Jingying, WANG Juan, et al. Motion Control System Design for Solar Cell Testing and Sorting Equipment [J]. Equipment for Electronic Products Manufacturing, 2014, 43(9): 37-41,52.

[5]胡成駿. 基于虛擬儀器的太陽能電池測試實驗教學平臺的設計 [D]. 武漢： 華中科技大學軟件學院, 2015.

HU Chengjun. Design of The Test Experimental Teaching Platform of Solar Cell Based on Virtual Instrument [D]. Wuhan： School of Software Engineering, Huazhong University of Science & Technology, 2015.

[6]陳鳳翔, 崔榮強, 孟凡英, 等. 用開路電壓法測硅太陽能電池中少數(shù)載流子壽命 [J]. 太陽能學報, 2003, 24(3): 340-343.

CHEN Fengxiang, CUI Rongqiang, MENG Fanying, et al. Measuring Minority Carrier Lifetime in Silicon Solar Cells by Open Circuit Voltage Decay(OCVD) [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003, 24(3): 340-343.

[7]姜川. 有機太陽能電池測試系統(tǒng)研究 [D]. 淄博: 山東理工大學電氣與電子工程學院, 2011.

JIANG Chuan. Research on the Testing System of Organic Solar Cells [D]. Zibo：College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, 2011.

[8]黎步銀, 劉勇為. 太陽能電池測試系統(tǒng)的設計 [J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2016(11): 73-76.

LI Buyin, LIU Yongwei. Solar Cell Test System Design [J]. Instrument Technique and Sensor, 2016(11): 73-76.

[9]屠佳佳. 太陽能電池性能參數(shù)測試系統(tǒng)的試驗研究 [D]. 杭州： 中國計量學院計量測試工程學院 ,2013.

TU Jiajia. Experimental Study on the Test System for Performance and Parameters of Solar Cells [D]. Hangzhou： College of Measurement and Testing Engineering, China Jiliang University, 2013.

[10]魯甜, 谷玉海, 徐小力. 基于單片機的氙燈起輝電源設計 [J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2012(7): 93-95,99.

LU Tian, GU Yumei, XU Xiaoli. Design of Xenon Lamp Starter Power Supply Based on Single Chip Microcomputer [J]. Instrument Technique and Sensor, 2012(7): 93-95,99.

[11]韓春霞. 大功率軟開關(guān)氙燈電源的研究 [D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學信息與通信工程學院, 2010.

HAN Chunxia. Research on High Power Xenon Light Soft Switch Power Supply [D]. Harbin： College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, 2010.

[12]王玨, 王維明, 趙健, 等. 大功率短弧氙燈觸發(fā)器的設計 [J]. 光電技術(shù)應用, 2007(6): 45-47,51.

WANG Jue, WANG Weiming, ZHAO Jian, et al. Design of Igniter for Large Power Xenon Short Arc Lamp [J]. Electro-Optic Technology Application, 2007(6): 45-47,51.

[13]余飛, 伍浩成, 周曉軍, 等. 大功率半導體激光器恒流源設計 [J]. 光通信技術(shù), 2008(1): 46-48.

YU Fei, WU Haocheng, ZHOU Xiaojun, et al. A Stable Current Source Design Used for High-Power Semiconductor Laser Diode [J]. Optical Communication Technology, 2008(1): 46-48.

[14]PENG Hui, XU Wenpeng, LI Chuannan, et al. Enhanced Efficiency of Inverted Polymer Solar Cells Using Surface Modified Cs-Doped ZnO as Electron Transporting Layer [J]. Synthetic Metals, 2015(205): 164-168.

[15]GUAN Haiyan, XU Wenpeng, LI Cuannan, et al. Implementation of Photothermal Annealing on ZnO Electron Transporting Layer for High Performance Inverted Polymer Solar Cells [J]. Materials Letters, 2016(163): 69-71.