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改进太阳能电池的测验:加速开发和出产的要害(2)

测量方法对于大电容性DUT的快速I-V分析,采用输出电压和测量电流的方法合乎常理。尽管需要充电来改变大容性p-n结的电压,低阻抗的电压源能

丈量办法

关于大电容性DUT的快速I-V剖析,选用输出电压和丈量电流的办法符合常理。尽管需求充电来改动大容性p-n结的电压,低阻抗的电压源能敏捷驱动太阳能电池到每一个新的作业点。可是,在运用容性负载时电压源会变得不安稳,这就需求调整丈量办法。
一种代替办法是输出电流和丈量电压,这中办法会明显添加丈量时刻。由于假如运用较小的电流(削减图3中的右部区域)则需求很长时刻完成对电池电容的充电。并且,假如运用较大电流(图3的左上部区域),由于I-V曲线挨近平整,则会导致丈量中存在噪声。
另一种代替办法是太阳能电池接一个可变电阻负载。在特定的光照下,假如丈量太阳能电池电压时可变电阻能在短路到开路之间改动,就能得到I-V特性(即,Iload=Vcell/Rknown)。
电压源安稳性
当运用输出电压/丈量电流的办法丈量太阳能电池的I-V曲线时,由于电池电容对体系反应环路发生的相移会使高速电压源不安稳(见图4a)。可是,环路测验线引进的电感加重了该问题。如图4a所示,电感量的巨细由测验线环路面积决议。
表1定量剖析了电感与各种太阳能电池的电容相互作用的影响是太阳能电池尺度的函数。该表格举例说明了载流测验线的电感量(不是电压感测线,由于电压感测线中没有电流)与太阳能电池的电容量的联系,从而得出引荐的电压源带宽。运用较宽带宽电压源的危险是导致测验环路不安稳(振动),这或许得到不正确的I/V曲线。特定的测验条件和DUT要求更严格地限制电压源的带宽。
值得注意的是表1中的倒数第二行,由于较大的电容量和电感量导致电压源的带宽十分窄(≈9Hz)。已然DUT的电容量是给定的,那么电感量有必要尽或许小。在该例中,假如电感量从123μH降至1μH,那么电压源的带宽添加约100Hz(见表1的最终一行)。假如选用这种电压源并且答应电压和电流关于阶跃改动的树立时刻为4倍时刻常量(4τ),那么仅需6.3 ms就能得到牢靠的丈量成果。


表1.在一系列测验线的电感量和太阳能电池的电容量条件下,引荐的电压源带宽用于安稳测验环路
事实上,太阳能电池的电容量跟着光强和施加电压的改动而改动,这使得问题更为杂乱。更大的电容量会添加反应环路的相移,刚开端测验环路还能牵强安稳。从而,太阳能电池入射光的噪声和驱动电池的电压源噪声会构成电池电容量的附加改动。尽管在I-V曲线的任何部分都或许呈现不安稳,可是当太阳能电池的偏压挨近0V时,测验环路不安稳的概率更高。这是由于跟着p-n结向零偏压过渡,太阳能电池的电容量敏捷改动。
跟着太阳能电池的尺度增大,丈量问题的难度也在进步。电池尺度越大,所需的输出电流将高达数十安培并且需求能丈量这种大电流的仪器。能够运用一台电压源或许电源以及2台DMM(一起丈量电压和电流)。尽管供给能驱动容性负载的电源,可是大多数电源并非专为容性负载的快速电压扫描规划。大多数电源含有内部补偿电路,这会导致关于电压阶跃改动的树立时刻较长。因此,运用这种电压源丈量太阳能电池I-V曲线所需的时刻特别长,尤其在主动测验环境中。
当PC经过GPIB(通用设备总线)操控测验仪器时,测验吞吐量会进一步下降。即便选用高速电源,也都需求经过GPIB设置I-V曲线上的每一个丈量点。并且,DMM丈量的电压和电流经过GPIB传送至PC也会延伸测验周期。
丈量计划
有许多价格合理的丈量仪器能输出和丈量直流信号用于太阳能电池的I-V特性剖析。一般,挑选丈量仪器的关键在于速度和精度问题。只需采取了防止高速源不安稳的办法,这种输出电压/丈量电流的办法一般能取得最佳的测验作用。
假如不考虑运用的仪器,那么能够选用削减测验线环路面积的线路体系缓解测验线电感的影响。可是,测验线环路的面积或许很大,由于DUT不一定接近电压源。走运的是,环绕导线对能很容易地下降电感量(见图4b)。绞线对还能下降经过电磁耦合进入导线的噪声。
环绕载流的HI和LO测验线十分重要,这与电压源的长途感测线刚好相反。当电源线用于电压感测时,运用分立的导线长途感测在太阳能电池两头的输出电压能够防止由于压降构成的不精确。(分立感测线中的电流可忽略不计,由于这些感测线衔接至电压源的高阻输入放大器。)
更为扎手的问题是太阳能电池的施加电压改动导致电容量相应改动,由于电容量的改动代表电抗元件的平方,这导致在测验电路(反应)环路发生附加相移。消除附加相移最简略的办法是封闭环路以防该电抗元件的平方构成问题。在电压源的HI和LO输出端添加纯电容器材就能封闭环路。假如添加的电容量满足大(约等于偏压的太阳能电池的电容量),那么在电抗元件的附加相移导致测验环路不安稳之前,环路就会被封闭。尽管如此,从一开端就应当挑选适宜的电压源。最好,开端就选用带快速阶跃呼应的电压源,然后只用增加外部%&&&&&%就能安稳测验环路。
大尺度太阳能电池的丈量
假如太阳能电池的面积特别大,那么前面评论的办法很难解决问题,因此需求选用不同的解决计划。这不可防止地需求选用输出电流、丈量电压的办法,尽管这种办法需求折衷考虑I-V丈量的噪声差错和速率。


大面积太阳能电池的丈量计划
Source Meter = 数字源表
Solar Cell =太阳能电池
图5. 运用多台源-丈量仪器供给满足的驱动电流,用于大面积太阳能电池和电池板的I-V特性剖析。
即便如此,适宜的丈量仪器能够缩短测验时刻。源-丈量仪器(亦称为数字源表)能一起输出电流和丈量太阳能电池的电压。这些仪器集成了(电压或电流)源以及DMM的悉数丈量功用。(源-丈量仪器的长处也适宜于输出电压/丈量电流形式丈量较小尺度的太阳能电池。)源-丈量仪器的输出电流形式答应对负载运用一个以上的源,每个源独登时向太阳能电池供给电流。图5示出了一种接有多个并联电流源的太阳能电池。

运用并联电流源时,在I-V丈量的开端阶段,一切电流源都装备为零电流输出,从而使太阳能阵列在施加光照的条件下构成开路电压。能够设置测验序列,再用得到的电流斜坡掩盖所需的多个电流源的以到达要求的输出电流最大值。当榜首电流源到达满量程电流时,体系中的下一个电流源持续向太阳能电池阵列注入附加电流,以此类推。如图5所示,应当依照正常作业的太阳能电池的电流极性发动悉数电流源。
经过结合高速源与集成源内涵的长处和丈量功用,数字源表加快了I-V特性剖析的速度。数字源表的一个立异特色是支撑四象限操作的源功用(见图6)。该功用答应数字源表用作太阳能电池的可变阱(或负载)。选用四象限操作时,假如输出电压为正极性,电流就能流进或流出HI端子,一起坚持设置的电压安稳。反之,假如输出电流为正极性,就能设置正极性或负极性的电压源。当负载需求比预置的最大值更高的电压或电流时,数字源表还能在输出电压与输出电流的形式之间主动切换。

Duty cycle limited = 填充因子受限
图6. 在太阳能电池测验期间,四象限作业答应将数字源表用作源或许负载;当用作源时,数字源表能在电压或电流形式之间快速切换。
尽管运用一个直流源和两台DMM能对太阳能电池进行I-V特性剖析,可是数字源表防止了测验体系的集成问题。并且,这种测验仪支撑快速电压扫描和电流扫描、快速切换形式和一起用高精度丈量电路读取悉数数据(分辨率典型值为5位半)。
并且,大多数这些仪器都含有固件,防止了由分立DMM和经过GPIB操控电压源导致的吞吐率下降。一般,固件仅需经过GPIB发动和中止信号用于操控。并且,内部的大缓冲器答应将数据累积直至GPIB上呈现闲暇周期时才将读数发送至PC操控器。与分立GPIB的仪器比较,这些特色的结合具有巨大的吞吐率优势。

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