李 超，邵劍波，席 曦*，朱益清，劉桂林，王 曉，錢維瑩，陳如龍，朱華新，李果華

(1. 江南大學 理學院，江蘇 無錫 214000； 2. 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214000；3. 無錫尚德太陽能電力有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 引 言

太陽模擬器作為一種人工光源，能夠提供自然光所具有的輻照特性，廣泛用于太陽能電池的檢測與標定[1]。目前，太陽電池的測試光源大部分采用的是傳統(tǒng)的氙燈[2-4]，這種光源經(jīng)過光譜修正可以滿足測試所需，但是它在近紅外波段的光譜較強，且成本高、壽命短、功耗大[5-6]。發(fā)光二極管(LED)是一種成本低、能耗小、壽命長的光源，相比于氙燈，還具有光強可控的特點[5]。根據(jù)光譜疊加原理，通過調(diào)節(jié)不同LED光源的組分比例，可以實現(xiàn)對日光光譜的模擬[7-8]。2003年，日本東京農(nóng)工大學的Kohraku和Kurokawa采用多種小功率LED，首次研制出了基于LED光源的太陽模擬器[9]。2008年，李果華發(fā)布了國內(nèi)首個太陽模擬器[10]。自此，LED太陽模擬器開始受到關(guān)注并取得了巨大的研究進展。由于LED的可控性，該太陽模擬器兼具了單色光測試、穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)測試等功能，這是傳統(tǒng)氙燈模擬器無法做到的，也正因為如此，開發(fā)一套新的測試系統(tǒng)就顯得尤為必要。

本文設計出一種基于11種波段LED的太陽模擬器，經(jīng)過交流-直流(AC-DC)變換以及降壓電路之后，實現(xiàn)了各個波段LED的單獨可調(diào)，最終在光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度上均達到IEC60904-9-2007[11]規(guī)定的A級標準[12-13]。為了提供配套的測試系統(tǒng)，基于National InstrumentsTM公司的虛擬儀器開發(fā)軟件Labview、數(shù)學軟件MATLAB以及數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)出太陽電池測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時獲取太陽電池的I-V特性曲線、開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)，同時可以對多波段的LED進行控制。此外，研究發(fā)現(xiàn)，測試過程中的環(huán)境溫度、輻照溫度等因素會對太陽電池的開路電壓、短路電流等參數(shù)造成影響[14-15]，為了提高測試的準確性，需要修正溫度帶來的測試誤差，因此編寫了溫度修正算法，將測試數(shù)據(jù)修正到標準測試條件。通過實驗驗證，系統(tǒng)可以對硅太陽電池片進行準確的測試。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示，整體可以分為三部分。首先太陽模擬器作為光源，為太陽電池提供穩(wěn)定可靠的輻照，且各參數(shù)均達到了AM1.5標準[11]。其中，直流穩(wěn)壓電源完成AC-DC變換，降壓電路具有5A負載驅(qū)動能力，切合本系統(tǒng)的需求。

其次，采樣電路將太陽電池的電流輸出轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過儀表放大器進行濾波放大，數(shù)據(jù)采集卡對電壓進行采集，并通過串口傳送至PC端。

最后，在測試軟件中進行數(shù)據(jù)處理，同時溫度探測模塊采集到的實時溫度可用于太陽電池的參數(shù)修正。此外，軟件可以通過繼電器對LED進行開關(guān)控制，以滿足不同條件的測試需求。

圖1 系統(tǒng)組成

3 LED太陽模擬器設計

3.1 模擬器指標

太陽模擬器的指標主要涉及到光譜匹配、輻照不均勻度、長期不穩(wěn)定度3個參數(shù)。中國太陽模擬器通用標準[16]與英國IEC60904-9-2007[11]中都對太陽模擬器的等級及其對應指標作出了明確規(guī)定。太陽電池的標準測試條件要求在輻照面上滿足AM1.5太陽光譜輻照度分布，且達到1 000 W/m2的光功率。常規(guī)單晶硅太陽電池片的面積為159 mm×159 mm，因此本文選用該區(qū)域作為測試面。

3.2 光譜匹配實現(xiàn)

為了實現(xiàn)各個波段范圍的光譜匹配，采用11種單色大功率LED作為光源，組合成對稱的LED陣列。本設計采用的LED型號為歐司朗SOLERIQ單色系列。由于LED可控性強，光強可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電流進行控制，最終將各個波段范圍的比重調(diào)節(jié)至滿足A級標準，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 太陽模擬器光譜分布

3.3 不均勻度實現(xiàn)

輻照不均勻度的計算公式為：

E=[(Emax-Emin)/(Emax+Emin)]×100%,

(1)

其中，Emax是有效輻照范圍內(nèi)測得的最大輻照強度，Emin是有效輻照范圍內(nèi)測得的最小輻照強度。輻照不穩(wěn)定度是指在指定測試點上輻照強度的波動。由于太陽電池的短路電流可以直接反映輻照光的強度，因此調(diào)節(jié)過程中，利用規(guī)格為2 cm×2 cm且標定過的硅太陽電池片進行短路電流測試，將輻照面劃分為64個面積相同的區(qū)域，根據(jù)測試結(jié)果繪制了分布熱圖，如圖3所示。經(jīng)計算，在輻照面上的不均勻度為1.81%，滿足A級標準。

圖3 不均勻度測試結(jié)果

3.4 長期不穩(wěn)定度

IEC60904-9-2007標準規(guī)定的3個不穩(wěn)定度測試點如圖4(a)所示,P1點位于測試面中心，P3點位于測試面頂點，P2點為P1、P3連線上的任意一點。在輻照面上用標定過的太陽電池片測試短路電流的波動情況，測試結(jié)果如圖4(b)。P1、P2、P3 3個點的長期不穩(wěn)定度分別為0.997%、0.630%、0.875%。

圖4 輻照不穩(wěn)定度。(a)測試點分布示意圖；(b)測試結(jié)果。

Fig.4 Instability of the irradiance. (a) Distribution point of instability test of irradiance. (b) Test result.

4 硬件設計

4.1 測試方法

太陽電池是恒流源[17]，測試過程中，通過不斷改變外加負載可以達到改變測試回路電流的目的[18]，從而得到回路的I、V數(shù)據(jù)。由圖5所示的伏安特性曲線可知，當負載為0時，等效為太陽電池的短路狀態(tài)，此時的回路電流即為短路電流；當負載趨近于∞時，等效為太陽電池的開路狀態(tài)，此時的負載電壓值即為開路電壓。

圖5 測試過程示意圖

但是，直接改變負載的測試方法存在如下問題：負載變化通常不連續(xù)，且不存在理想狀態(tài)下阻值為0的負載。因此，可以采用外加偏壓的方法，用于抵消光電壓，這種方法具有以下優(yōu)點：

(1)實現(xiàn)了電壓的連續(xù)變化，等效于負載的變化過程；

(2)負載電壓可以由程序控制，且步長、方向可調(diào)，能夠滿足不同條件下的電池片測試需要(如正反向掃描)。

設回路電流為I，數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓為Ui，則：

Ui=kIR,

(2)

其中，k為采樣電路的放大倍數(shù)，R為采樣電阻的阻值。當外加偏壓U0從0增大到直至回路電流為0時，即完成了一次測試掃描。

4.2 采樣電路

本系統(tǒng)中采樣電路完成了電流采集的功能，兼具硬件濾波作用。原理圖如圖6所示。

圖6 采樣電路原理圖

5 軟件設計

軟件設計流程圖如圖7所示。主要過程包括：參數(shù)設定、采樣、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計算和修正。

圖7 軟件設計流程圖

5.1 數(shù)據(jù)處理

為了得到更為精確的太陽電池參數(shù)，首先要對數(shù)據(jù)進行軟件濾波，以去除數(shù)據(jù)噪點，得到更為理想的測試數(shù)據(jù)。使用MATLAB的移動平均濾波算法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的去噪和平滑化，有利于進行參數(shù)計算。其次，進行回路電流的還原。數(shù)據(jù)采集卡采集到的是經(jīng)過放大后的采樣電阻電壓值，因此利用公式(2)可將其還原為電流值。信號采集過程中，利用移位寄存器，不斷更新采集數(shù)據(jù)并同步顯示，最終將處理后的數(shù)據(jù)保存至本地，方便后續(xù)的參數(shù)計算。各參數(shù)的具體計算方法在MATLAB script中實現(xiàn)。

5.2 修復算法

太陽電池的參數(shù)會隨溫度變化，具體表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，開路電壓減小，短路電流增加，太陽電池效率降低[19-20]。機理為：溫度上升時，禁帶寬度下降，導致暗電流增加，開路電壓降低，同時更多的光生載流子被激發(fā)，串聯(lián)電阻下降，短路電流增加。兩者共同作用下，效率產(chǎn)生衰減[20]。由此可見，如何克服溫度帶來的影響就顯得至關(guān)重要。此外，測試參數(shù)還會由于光譜失配產(chǎn)生誤差[21]，但是由于本文所用的LED太陽模擬器光源的光譜匹配度滿足A級標準，所以產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。

太陽電池測試過程中，引起溫度變化的因素主要是模擬器輻照。通過溫度采集模塊可以實時獲取測試面的溫度，進而通過計算，將測試數(shù)據(jù)修正到25 ℃條件下。光伏器件實測特性和輻照度修正方法標準(IEC 60891-2009)提出的修正公式[22]為：

I2=I1+α(T2-T1),

(3)

V2=V1+β(T2-T1)-kI2(T2-T1),

(4)

其中，α是短路電流的溫度系數(shù)，β是開路電壓的溫度系數(shù)，k是曲線修正因子。對于本測試系統(tǒng)，I1、V1分別是標準溫度(25 ℃)下的測試數(shù)據(jù)，I2、V2分別是將T2條件下的數(shù)據(jù)修正后的結(jié)果。

經(jīng)過不同溫度下的測試以及MATLAB程序的擬合，得到開路電壓、短路電流與溫度的關(guān)系如圖8所示。

調(diào)整k的值，使得8組I-V曲線最大功率的極差最小。結(jié)果證明，不同溫度下的數(shù)據(jù)可以很好地修正到25 ℃條件下，如圖9所示。

圖8 Voc、Isc與溫度的關(guān)系。(a)V-T；(b)I-T。

Fig.8 Relationship betweenVoc，Iscand temperature. (a)V-T. (b)I-T.

最終確定的修正公式如下：

I2=I1+0.0005(T2-25),

(5)

V2=V1-(2.4357e-4)(T2-25)-

(3.8e-6)I2(T2-25).

(6)

圖9 溫度修正結(jié)果。(a)修正前；(b)修正后。

Fig.9 Temperature calibration result. (a) Before calibration. (b) After calibration.

6 測試結(jié)果

使用LED太陽模擬器和測試軟件對159 mm×159 mm的單晶硅太陽電池片進行測試，測試界面如圖10。

對電池片在同一條件下進行5組測試，結(jié)果如表1(電池片為無錫尚德太陽能電力有限公司提供的單晶PERC電池)。

對電池片分別在25,35,45,55 ℃4個不同溫度下進行4組測試，結(jié)果如表2。

由表1可知，各項參數(shù)測試結(jié)果的標準差均在0.205%以內(nèi)，說明測試結(jié)果穩(wěn)定，驗證了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由表2可知電池效率的相對誤差最大為0.64%，相比于圖9(a)中未修正的結(jié)果，各參數(shù)誤差均有所降低，說明系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)對曲線進行修正和參數(shù)計算，證明實驗所用的光源是穩(wěn)定的，且測試軟件的修復算法可以達到預期目的。

圖10 測試界面

組別開路電壓/V短路電流/A最大功率/W填充因子效率/%10.6779.4194.9810.78120.54120.6789.4194.9820.78020.57130.6789.4214.9850.78020.57640.6789.4184.9810.78020.56950.6779.4184.9850.78220.539標準差0.000 550.001 220.002 050.000 890.000 31

表2 測試結(jié)果2

7 結(jié) 論

本文利用多種波段組成的LED陣列、光學系統(tǒng)以及自主設計的LED驅(qū)動電路，開發(fā)出滿足太陽電池測試所需的太陽模擬器，且在光譜匹配、不均勻度、不穩(wěn)定度上滿足IEC60904-9-2007規(guī)定的A級標準。同時，自主設計了配套的測試系統(tǒng)，兼具光源控制、數(shù)據(jù)處理、溫度修正、參數(shù)計算功能。經(jīng)實驗測試，光源和測試系統(tǒng)均可以穩(wěn)定運行，且測試結(jié)果的誤差很小，完全可以滿足實際測試要求。此外，相比于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，成本大大降低，可滿足實際工業(yè)和生產(chǎn)中的測試需求。

致謝：感謝南京黛傲光電科技公司對本文工作提供的支持，感謝無錫尚德太陽能電力有限公司為本文實驗提供的電池片。