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使用标准测试仪器测量太阳能电池的功率输出
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序言
当前，全球正面临着严峻的环境问题，而且能源日渐紧缺。太阳能因为具有清洁和可再生的特点，所以成为首选的替代能源，推动相关的太阳能电池技术实现飞速发展。这一切变化加大了太阳能行业对太阳能电池（以及太阳能电池模块）测试与测量解决方案的需求。
典型测量太阳能电池测量通常包括以下关键参数。
开路电压（Voc）――电流为零时的电池电压。
短路电流（Isc）――负载电阻为零时的电池电流。
电池的最大功率输出（Pmax）――电池产生最大功率时的电压和电流点。I-V 曲线上的 Pmax 点通常指最大功率点（MPP）。
Pmax 电压（Vmax）――Pmax 时的电池电压。
Pmax 电流（Imax）――Pmax 时的电池电流。
器件的转换效率（η）――在太阳能电池连接至电路时，转换（从光能转换为电能）和收集的功率百分比。η 的计算方法为：最大功率点 Pmax 除以标准测试条件（STC）下的输入光辐照度（E，单位：W/m²）和太阳能电池表面积（Ac，单位：平方米）。
· 占空因数（FF）――最大功率点 Pmax 除以开路电压（Voc）和短路电流（Isc）
· 电池二极管性能
· 电池串联电阻
· 电池并联电阻
图 1：太阳能电池的电流电压曲线图
图中文字中英对照：
Amps Isc Pmax Volts Voc | A Isc Pmax V Voc |
目前，太阳能电池测试解决方案分为两大类：成套系统和通用测试仪器。成套系统适用于验证和制造测试阶段。这些系统可以确保测试的可重复性，因为它们经过编程，可对太阳能电池进行一系列电池测试。
研究人员通,崾褂冒氲继迳杓剖笛槭抑械耐ㄓ貌馐砸瞧鳌Ｋ们使用半导体器件参数分析仪测量二极管器件特性，使用 LCR 测量计（电感电容电阻测量计）测量材料/器件的电感、电容和电阻。
在测试整个太阳能电池输出功率时，许多研究实验室会使用低功率 4 象限电源（有时简称 SMU），该电源可以：
精确地供应正和负电压（供应也称施加）,
精确地供应正和负电流（供应负电流是将电流吸入电源的过程）,
精确测量被测件的电压和电流（测量也称感知）。
4 象限电源的用途十分广泛，但其能够为被测件提供的最大电流和功率较小。大部分精密型 4 象限电源只能供应 3 A 或 20 W 的连续电力。这种最大电流和功率适合小型独立电池测试，但随着电池技术的发展，电池的效率、电流密度和尺寸均出现了较大幅度的增长，电池功率输出可能很快超过 4 象限电源的最大额定值。太阳能电池模块通常能够提供超过 50 W 甚至可以达到 300W 或以上的输出，这意味着对其进行测试将无法继续使用 4 象限电源。
为此，工程师必须使用现有的标准电子负载、直流电源、数字万用表、数据采集设备（包括温度测量、扫描、开关和数据记录设备等）构成灵活的测试系统，才能在广泛的工作范围内对这些太阳能电池模块进行测试，同时保证测量精度。例如，您可以使用数据采集系统扫描环境温度、被测件温度、校准参考电池的电压以及其他需要在测试中捕获的测试参数。
户外测试部分工程师可能会使用配备了太阳仿真器的成套太阳能电池测试系统展开测试。太阳仿真器是一个标准光源，可以控制照射太阳能电池的光能。但是当太阳能电池或模块过大时，太阳仿真器无法产生足够的光能。例如，被测的太阳能电池模块可能是大型户外太阳能收集系统的一部分。此时，测试只能以太阳作为真实的物理光源。由于在户外使用成套测试系统（无太阳仿真器）进行测试是不现实的，工程师不得不放弃这种测试方法，而采用由标准测试仪器构成的其他测试解决方案。
户外测试还需考虑温度因素。电池性能会受到温度的影响，因此在测试时，有必要使用数据采集系统或温度测量系统进行温度监测。不仅电池性能会受到温度的影响，测试设备同样会受到温度的影响。许多仪器厂商未指明测试设备在非室温条件（25 ± 5 °C）下的技术指标，而优质测试设备厂商会提供温度系数技术指标，以帮助调整测试仪器的精度指标，从而修正在非指定温度范围下的操作。因此，为了在不可能控制温度的户外环境中正确使用测试仪器，您需要了解实时温度，并根据温度系数技术指标进行相应的调整，以确保测试仪器的精度。
大功率测试的负载对于大功率应用，您可以使用标准电子负载进行太阳能电池测试。由于习惯了使用成套系统或 4 象限电源，许多工程师在进行太阳能电池测试时不会想到电子负载。鉴于太阳能电池可以产生能量，在使用 4 象限电源对其进行测试时，电源的实际工作模式如下：太阳能电池对电源的端点施加了一个正电压。同时，电流从太阳能电池流向 4 象限电源的端点，意味着 4 象限电源观察到的是负电流（相对其端点）。此时也可以说是 4 象限电源在吸收电流。在电学上，对端点施加正电压，且电流流向自身（即吸收电流）的电源称为电子负载。因此，对大部分太阳能电池测试来说，如果有光线照在太阳能电池上，且电池正在产生电力，4 象限电源即作为电子负载使用。使用电子负载的优势在于它可以适应所有的电流和功率：使用 50W 或更高（可达数千 W 和数百 A）的电子负载，我们可以跳出 4 象限电源仅能提供 3A、20 W 电能的限制。
电子负载可在恒压（或 CV）模式下工作。恒压模式下，负载将调整流经自身的电流，以调节其端点的电压，使其保持在一个恒定值。因此，恒压模式可用于创建电压扫描：使用负载控制太阳能电池输出的电压，然后测量生成的电流（如图 2 所示）。部分负载（例如 Agilent N3300 系列）可以快速执行 CV 定位点列表以扫描恒压模式的输出电压，从而快速绘制 I-V 曲线。与此同时，负载可以将从太阳能电池流向负载的电流波形转换成数字波形（与捕获示波器迹线类似）。通过绘制扫描控制的 CV 电压和数字转换的实际电流图像，您可以创建 I-V 曲线。由于这一切可以作为快速扫描在短时间内完成，整个测试可在大约一秒钟的时间内实现，即在电池受热和温度因密集光源照射出现变化前完成。
图 2：使用 CV 模式下的电子负载测量 I-V 曲线
图中文字中英对照：
Amps Vsc End V = Vshort Set lower V, Meas I Max Power Point when V*I = max is used to determine efficiency Start V = Voc Voc Volts Process: Set electronic load to CV Set electronic load V = Voc Measure I Decrement CV setting Measure I at each step of the loop Stop when CV setting = Vsc Plot I-V curve Use V, I pairs to determine max Power | A Vsc 结束 V = Vshort 设定低电压，测量电流 最大功率点（V*I 值最大时）用于确定效率 起始电压 ＝ Voc Voc V 步骤： 设定电子负载为 CV 设定电子负载 V＝ Voc 测量电流 逐步下调 CV 设置 在循环的每个步骤测量电流 在 CV 设定＝ Vsc 时停止 绘制 I-V 曲线图 使用 V 和 I 乘积确定最大功率 |
许多电子负载具有工作电压下限，因为大部分电子负载以 FET 为基础设计。要正确地传导电流，FET 需要一个流经 FET 的最小电压，意味着负载的 + 和 – 输入端点间有一个最小工作电压。通常，电子负载的最小输入电压为 2 到 3 W。为电子负载串联一个直流电源可以消除这个限制。参见图 3，用于为电子负载提供补偿电压的直流电源称为补偿电源。通常，补偿电源设为 3 V，以确保满足电子负载的最小电压需求。直流电源的电压不会对太阳能电池产生影响。直流电源是一个浮置器件，最多会将太阳能电池偏置 3 V。
图 3：配置用于太阳能电池测试的电子负载和补偿电源
图中文字中英对照：
Solar Cell Offset Supply Set to 3V Current flow Electronic Load Always has ≥ 3V on inputs | 太阳能电池 补偿电源 设为 3V 电流 电子负载 输入端始终保持 ≥ 3V 电压 |
全球对清洁、可再生能源的迫切需求正推动着太阳能电池技术高速发展。随着太阳能电池尺寸的增加和效率的提升，电池测试可能会遇到更大的电流和功率，因此市场需要更灵活的测试设备。此时，成套解决方案可能无法满足需求，工程师可以使用现有的电子负载来测试太阳能电池。如果配置和应用适当，电子负载可用于对太阳能电池或太阳能电池模块输出进行所有与功率相关的测量。目前市场上的电子负载可提供广泛的电压、电流、功率和测量精度。负载、数字万用表和数据采集设备相结合，可以在成套系统灵活度不够的情况下满足您的测量需求。
如欲了解更多关于使用标准测试仪器进行太阳能电池和太阳能电池模块测试的信息，请参阅安捷伦出版物“Solar Cell and Module Testing: How to decrease costs and increase flexibility in a rapidly changing test environment”，5990-3262EN。只需在安捷伦主页顶部的搜索框中输入“5990-3262EN”，即可从www.agilent.com 下载这个 12 页的应用指南。
