劉 野, 劉振泰, 張 健, 韓 煒, 李傳南

(吉林大學(xué) a. 電子科學(xué)與工程學(xué)院; b. 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室； c. 物理學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

太陽(yáng)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(wèn)題, 因此, 太陽(yáng)能電池的研究和制造一直是新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-3]。在研制、 生產(chǎn)等過(guò)程中需對(duì)太陽(yáng)能電池的性能進(jìn)行測(cè)試, 而其J-V(Current Density-Voltage)特性的測(cè)量無(wú)疑是各種表征手段中最直觀、 有效且應(yīng)用最廣泛的一種方法[4,5]。通過(guò)測(cè)試J-V特性, 可得到太陽(yáng)能電池的短路電流Isc、 開(kāi)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(duì)太陽(yáng)能電池的研究、 生產(chǎn)及應(yīng)用必不可少[6-8]。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)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(yáng)能電池測(cè)試系統(tǒng), 其整體功能全且性能較好, 具有較高的測(cè)試精度和良好的光源穩(wěn)定性。但這類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜, 價(jià)格昂貴, 只能對(duì)單個(gè)已封裝好的器件進(jìn)行測(cè)量, 并用光輻照計(jì)定時(shí)校準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器的輸出光強(qiáng), 使用不方便。因此, 研發(fā)一種適用于一般實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的較簡(jiǎn)易、 價(jià)格較低且自動(dòng)化程度高的太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)試系統(tǒng)有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。筆者采用氙燈作為太陽(yáng)光模擬光源, 采用數(shù)字源表Keithley2400作為太陽(yáng)能電池器件的電子負(fù)載, 并向太陽(yáng)能電池施加外加電壓, 同時(shí)測(cè)量太陽(yáng)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(dòng)電源, 通過(guò)上位計(jì)算機(jī)和自主設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池測(cè)試軟件、 測(cè)試底座和相關(guān)硬件電路, 實(shí)現(xiàn)了一種具有光強(qiáng)校準(zhǔn)功能的太陽(yáng)能電池多器件的J-V特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。由于氙燈壽命一般為600～1 000 h, 因此筆者還設(shè)計(jì)了對(duì)氙燈工作時(shí)長(zhǎng)計(jì)時(shí)的電路, 在氙燈工作時(shí)長(zhǎng)到達(dá)其壽命時(shí)報(bào)警。該測(cè)試系統(tǒng)成本較低, 可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)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(yáng)能電池多器件J-V特性自動(dòng)測(cè)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(jī)和太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)試軟件、 數(shù)字源表Keithley2400、 氙燈光源及其驅(qū)動(dòng)電源、 多器件測(cè)試切換電路、 標(biāo)準(zhǔn)光電二極管和光源調(diào)光電路、 光源工作時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)電路和多器件測(cè)試底座等部件。

圖1 太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)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(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池多器件J-V特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要功能如下： 測(cè)試太陽(yáng)能電池的J-V特性、 計(jì)算器件的短路電流Isc、 開(kāi)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(yáng)能電池的參數(shù)； 為便于測(cè)量人員觀察, 系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在測(cè)量界面繪制出J-V曲線(xiàn), 可保存和導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件的自動(dòng)測(cè)量, 提高測(cè)試速度； 系統(tǒng)還具有氙燈光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)以及光源工作時(shí)長(zhǎng)計(jì)算和超時(shí)報(bào)警功能。

測(cè)試系統(tǒng)中, 采用數(shù)字源表Keithley2400作為太陽(yáng)能電池的外加可變電子負(fù)載, 施加可按設(shè)定步長(zhǎng)變化的外加電壓, 同時(shí)測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的光生電流； 氙燈作為太陽(yáng)光模擬光源, 其驅(qū)動(dòng)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(qiáng), 系統(tǒng)中采用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的高精度濱松光電二極管(型號(hào)S1133-01)測(cè)量氙燈光強(qiáng), 每次開(kāi)機(jī)都對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié), 該電流也通過(guò)數(shù)字源表Keithley2400測(cè)量并傳送到測(cè)試軟件； 上位PC機(jī)及其測(cè)量程序分別通過(guò)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(cè)量過(guò)程和實(shí)現(xiàn)氙燈光強(qiáng)調(diào)節(jié), 并處理J-V曲線(xiàn)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。PC機(jī)測(cè)量程序還控制多器件測(cè)試切換模塊完成不同器件的切換, 同時(shí)系統(tǒng)中加入了硅光電二極管構(gòu)成的氙燈工作檢測(cè)和計(jì)時(shí)電路模塊, 以檢測(cè)氙燈的實(shí)際工作時(shí)長(zhǎng)。由于氙燈的工作時(shí)間超過(guò)額定的時(shí)間后, 其光強(qiáng)、 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(cè)量的可靠性。

筆者設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)試系統(tǒng)的程序流程如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)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(dòng)后, 光源工作計(jì)時(shí)模塊檢測(cè)氙燈是否開(kāi)啟, 若開(kāi)啟則程序開(kāi)始計(jì)時(shí)。隨后, 校準(zhǔn)氙燈光強(qiáng), 為器件的測(cè)試提供100 mW/cm2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試光照。程序接到測(cè)試的指令后, 將測(cè)量測(cè)試底座上的待測(cè)器件接入數(shù)字源表Keithley2400進(jìn)行J-V特性測(cè)試, 并處理測(cè)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(dòng)測(cè)量、 光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)和光源工作計(jì)時(shí)3個(gè)模塊, 氙燈驅(qū)動(dòng)電路可參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]。

2.1 多器件自動(dòng)測(cè)量模塊

多器件自動(dòng)測(cè)量模塊的程序流程圖如圖3所示。當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí), 太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)試軟件通過(guò)RS232串口將相關(guān)的測(cè)試參數(shù)設(shè)置發(fā)送到數(shù)字源表Keithley2400, 并將器件的測(cè)試要求通過(guò)RS232串口發(fā)送到多器件測(cè)量切換電路, 該電路通過(guò)繼電器控制測(cè)試底座上的觸點(diǎn)的接通與斷開(kāi), 切換各待測(cè)的器件。數(shù)字源表Keithley2400在每個(gè)器件測(cè)量結(jié)束后將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到測(cè)試軟件中進(jìn)行處理和保存。

多器件自動(dòng)測(cè)量切換電路由8052單片機(jī)電路和10個(gè)繼電器組成, 繼電器與測(cè)試底座上的測(cè)試觸點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)應(yīng)連接, 單片機(jī)根據(jù)上位PC機(jī)發(fā)送的指令, 使相應(yīng)的繼電器與電源接通, 對(duì)測(cè)試底座上的太陽(yáng)能電池進(jìn)行測(cè)量。多器件測(cè)量切換電路的功能框圖如圖4所示。

圖3 多器件自動(dòng)測(cè)量的程序流程圖 圖4 多器件測(cè)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(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)模塊

在太陽(yáng)能電池器件的測(cè)試中, 氙燈光源需提供100 mW/cm2的標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽(yáng)光照, 在現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)中, 一般采用輻照計(jì)對(duì)氙燈光源進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。但這種校準(zhǔn)方式存在以下問(wèn)題： 1) 氙燈工作一段時(shí)間后, 其光強(qiáng)會(huì)有一定程度的衰減, 如不及時(shí)校準(zhǔn)氙燈光強(qiáng), 會(huì)對(duì)器件的測(cè)試結(jié)果有影響； 2) 調(diào)節(jié)過(guò)程不方便且精度不高。

為提高氙燈光源的光照精度和測(cè)試效率, 系統(tǒng)中采用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)參數(shù)。為此, 多次測(cè)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為2.027～2.041 mA, 其誤差約為0.44%。

光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)模塊采用單片機(jī)Stm32F103輸出一個(gè)PWM(Pulse Width Modulation)波到調(diào)光電路, 以控制氙燈的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)濱松硅光電二極管測(cè)得模擬太陽(yáng)光電流并輸入到上位PC機(jī), 測(cè)試軟件判斷其誤差大小, 并通過(guò)單片機(jī)Stm32F103輸出相應(yīng)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(jìn)而校準(zhǔn)氙燈的光強(qiáng)。

圖5所示電路中, 單片機(jī)發(fā)出的PWM波輸入到I/O口, 經(jīng)過(guò)濾波后, 通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大3.4倍, 然后通過(guò)三極管輸出。單片機(jī)輸出的PWM波和其經(jīng)過(guò)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(xiàn)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(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)程序流程圖Fig.7 Flow chart of the program for xenon light intensity auto-calibration

打開(kāi)氙燈光源后, 光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)程序開(kāi)始運(yùn)行, 通過(guò)單片機(jī)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(shí), PC端測(cè)試軟件結(jié)合濱松硅光電二極管在當(dāng)前光強(qiáng)下的短路電流ISC, 將其與在標(biāo)準(zhǔn)光照下的短路電流范圍(Imin,Imax)進(jìn)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(shí)長(zhǎng)計(jì)時(shí)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(hào), 通過(guò)光源工作檢測(cè)電路, 將光源工作的信號(hào)傳輸?shù)缴衔籔C機(jī), 在測(cè)試軟件對(duì)光源的工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。

光源工作檢測(cè)電路如圖8所示。感光元件硅光電二極管的信號(hào)放大33.3倍后輸入到比較器,Vref設(shè)定為5 V。當(dāng)氙燈開(kāi)啟時(shí)Vo=6.09 V, 比較器輸出高電平到單片機(jī)； 當(dāng)氙燈關(guān)閉時(shí)Vo=2.20 V, 比較器輸出低電平。氙燈工作時(shí)長(zhǎng)計(jì)時(shí)模塊的程序流程圖如圖9所示。

當(dāng)氙燈開(kāi)啟光源工作檢測(cè)電路輸出高電平到單片機(jī), 向上位PC機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào), 測(cè)試軟件開(kāi)始計(jì)時(shí)； 當(dāng)氙燈關(guān)閉, 光源工作檢測(cè)電路輸出低電平到單片機(jī), 使測(cè)試軟件停止計(jì)時(shí), 并將計(jì)時(shí)結(jié)果保存在測(cè)試軟件的界面上。當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)果達(dá)到600 h后, 測(cè)試軟件會(huì)彈出報(bào)警對(duì)話(huà)框, 提醒工作人員更換氙燈, 以保證測(cè)試工作有效精確地進(jìn)行。

圖8 光源工作檢測(cè)電路原理圖 圖9 氙燈工作時(shí)長(zhǎng)計(jì)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 光強(qiáng)校準(zhǔn)模塊的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn), 校準(zhǔn)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)氙燈光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn), 可將光強(qiáng)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(zhǔn)后的誤差范圍小于1%, 滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

表1 光強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 多器件自動(dòng)測(cè)量結(jié)果及分析

測(cè)試軟件采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě), 界面包括以下內(nèi)容： 測(cè)試參數(shù)設(shè)置、 多器件自動(dòng)測(cè)試控制、 測(cè)量結(jié)果顯示、 J-V曲線(xiàn)顯示、 光源工作時(shí)長(zhǎng)顯示和測(cè)試結(jié)果保存。測(cè)試軟件界面如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量采用一種有機(jī)薄膜太陽(yáng)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(yáng)極收集空穴, MoO3作為陽(yáng)極緩沖層, P3HT∶PC71BM作為有源層[14,15]。

圖10 太陽(yáng)能電池J-V特性測(cè)試軟件界面 圖11 用于測(cè)量的有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)能電池J-V特性測(cè)試軟件界面中, 點(diǎn)擊“auto”按鈕后, 多器件自動(dòng)測(cè)量模塊從第1個(gè)器件開(kāi)始測(cè)試, 測(cè)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(shí)驗(yàn)用單元器件的面積為4 mm2, 開(kāi)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(shí)長(zhǎng)累計(jì)為12 h 20 min 45 s。

圖12 多器件自動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 The result of multi-sample automatic measurement

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種具有光強(qiáng)校準(zhǔn)功能的太陽(yáng)能電池多器件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng), 系統(tǒng)由上位PC機(jī)及其測(cè)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(dòng)電源、 多器件自動(dòng)測(cè)量電路、 自動(dòng)調(diào)光電路和光源工作時(shí)間測(cè)量電路等模塊構(gòu)成。上位機(jī)測(cè)試軟件采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě), 并能依據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)光電二極管測(cè)得的光電流, 通過(guò)單片機(jī)控制的調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)氙燈光強(qiáng)的自動(dòng)校準(zhǔn)；同時(shí)測(cè)試軟件通過(guò)數(shù)字源表Keithley2400和多器件自動(dòng)測(cè)量電路測(cè)得各器件的J-V特性, 并計(jì)算器件的效率等參數(shù)； 測(cè)試軟件可對(duì)光源工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)時(shí), 并在達(dá)到光源的額定時(shí)長(zhǎng)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo), 且成本較低、 自動(dòng)化程度較高, 便于實(shí)驗(yàn)室對(duì)光伏器件的測(cè)試, 也可用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等場(chǎng)所。

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