应用方案

概述

太阳能电池或光伏(PV)电池是从光源中吸收光子然后释放电子的器件，当太阳能电池与负载相连时，可以引起电流流动。太阳能面板是以串联和并联形式连接的太阳能电池组合，将比更小的单一太阳能电池提供更多的能量。太阳电池研究人员和制造商努力实现尽可能高的效率，同时损失*小。因此，太阳能电池与光伏材料的电气特性成为研究开发和制造过程中的一部分。对太阳能电池进行电流‑电压(I‑V)特性分析对推导有关其性能的重要参数**重要，包括**电流(Imax)和电压(Vmax)、开路电压(Voc)、短路电流(Isc)以及效率(η)。

利用吉时利2450或2460型触摸屏数字源表，可以轻松生成这些I‑V特性，该仪器可以提供电流和电压源和测量。由于2450型和2460型数字源表仪器都具有4象限源能力，因此它们可以起到施加电压的作用，为太阳电池灌电流。

表1. 2450和2460型数字源表仪器的功率包络

* 为了灌入更高的电流，可使用吉时利2651A型高功率系统数字源表仪器，在10VDC时其灌电流高达20A。

图1 利用2450型和2460型仪器对太阳能电池和太阳能面板进行I‑V测量

本应用笔记说明怎样利用2450或2460型触摸屏数字源表来简化太阳能电池的I‑V特性分析，如图1所示。特别是，本应用笔记介绍了怎样通过仪器前面板进行I‑V测试，包括怎样生成图表，以及将数据保存至USB闪存。应用笔记还详细说明了怎样通过总线实现测量自动化。

太阳能电池

图2给出太阳能电池的等效电路模型，它由光感应电流源 ($I_L$)、生成饱和电流的二极管 $[I_S(e^{qV/kT}–1)]$、串联电阻($r_s$) 以及分流电阻($r_{sh}$) 组成。串联电阻源自金属接触电阻、电池前面板的欧姆损耗、杂质浓度和结深。串联电阻是一个重要参数，因为它降低了电池的短路电流和**输出功率。从理想角度看，串联电阻应当是零欧姆。分流电阻表示沿电池边缘的表面泄漏或晶体缺陷引起的损耗。从理想角度看，分流电阻应当无穷大。

图2 光伏电池的理想等效电路

如果负载电阻($R_L$)与照明太阳能电池相连，那么总电流变成：

$$I = I_S (e^{qV/kT} – 1) – I_L$$

• $I_S$ = 二极管饱和电流

• $I_L$ = 光生电流

有几个参数用来描述太阳能电池的效率，包括**功率点($P_{max}$)、短路电流($I_{sc}$)和开路电压($V_{oc}$)。图3说明这些参数点，这是照明太阳能电池的典型正向偏压I‑V曲线。**功率点($P_{max}$)是电池**电流($I_{max}$)与电压($V_{max}$)的乘积，电池在此处的功率输出**。这一点位于曲线的“拐点”。

图3 太阳能电池的典型正向偏压I‑V特性（纵坐标：电池电流(mA)）

2450型仪器作为电子负载

如图4所示，当负载与照明太阳能电池的输出相连时，电流将流动。

当照明太阳能电池与2450或2460型仪器的输出端相连时，该数字源表源测量单元（SMU）仪器将吸入电流。换句话说，数字源表仪器将成为负载。因此，测量的电流式负值。

图4 与照明太阳能电池连接时，数字源表仪器将作为电子负载

连接太阳能电池或太阳能电池板

图5给出太阳能电池或太阳能电池板与2450或2460型仪器的连接。这里采用4线连接，以消除引线电阻的影响。当引线与太阳能电池连接时，注意：Force LO和Sense LO端与电池阴极端相连， Force HI和Sense HI端与电池阳极端相连。尽可能使连接靠近电池，以消除太阳能电池端子电阻对测量准确度的影响。

图5 数字源表仪器与太阳能电池或太阳能面板的连接

利用用户界面生成、绘制和保存I‑V扫描的三个步骤

通过仪器前面板或总线，可以实现太阳能电池的I‑V扫描。只需按压几个重要按键，即可生成测试、绘制图表并将数据保存至USB闪存。这里给出生成电压扫描、绘制图表并将数据保存至USB闪存三个简易步骤。

步骤1：生成和执行I‑V扫描

步骤2：浏览图表

为了以图表形式浏览数据，请先按压MENU按键，然后按压 Graph按钮。将自动显示I‑V扫描图表。要想重复图表，只需按下 TRIGGER按键。

图6 2460型仪器图形显示屏呈现的太阳能电池面板I‑V扫描曲线

步骤3：将数据保存至USB闪存

为了将I‑V数据保存至USB闪存，首先插入USB闪存，按压MENU按键，选择Data Buffers，按压期望的缓冲区，然后按SAVE TO USB。输入文件名。数据将以.csv格式保存。随后，还可以下载至电子数据表，并进行分析。

图7 将数据保存至USB闪存

利用程控编程，实现I‑V测量自动化

通过灵活的LAN、USB或GPIB接口，利用SCPI或测试脚本处理器(TSP*)指令可以对2450和2460型仪器进行程控。下面利用多晶硅太阳能电池板，说明怎样对2460型仪器进行编程，实现太阳能电池I‑V特性测试自动化。对于本次具体测试，将2460型仪器扫描电压范围设置为0V～20V，115个阶跃，并以4线配置形式，测量作为结果的电流。在附录A中给出执行本次测试的TSP代码，在附录B中给出执行本次测试的SCPI代码。

图8 2460型仪器生成的太阳能电池I‑V扫描；纵坐标：电流（A），横坐标：Voltage(volts)

注意，对太阳能电池板的测试是在光照（开灯）和黑暗（关灯）条件下进行的。如同前面的讨论，在开灯条件下测得的电流是负值，因为2460型仪器吸入电流。如果需要，曲线可以转化为电子数据表。

除了通过总线实现I‑V测量自动化，2450和2460型仪器还可以在其用户界面显示推算的**功率($P_{max}$)、短路电流($I_{sc}$)、开路电压($V_{oc}$)，以及用户推导计算的其他值。

图9 2450型仪器显示屏显示**功率($P_{max}$)、短路电流($I_{sc}$)和开路电压($V_{oc}$)

附录A：TSP代码实例

以下TSP代码实例的设计目的是在吉时利仪器的测试脚本建立器(TSB)软件上运行。TSB是可以从吉时利网站(www.keithley.com)下载的一款软件工具，可以用于2450和2460型仪器。为了在其他编程环境使用，您必须更改TSP代码实例。在2460型这个实例中，电压扫描范围是0V～20V，115个阶跃，并测量作为结果的电流。电流和电压读数存储在缓冲区（defbuffer1）内。可以通过2460型仪器前面板确定并显示**功率、短路电流和开路电压。为了在2450型仪器使用这个代码，您需要改变电流和电压电平。

2450和2460型仪器的默认指令设置为SCPI。如果想将该指令集改为TSP指令，请按MENU -> Settings -> Command Set。选择 TSP指令。

-- 定义扫描点数
num = 115

-- 仪器复位，并清除缓冲区
reset()

-- 设置源和测量函数
smu.measure.func = smu.FUNC_DC_CURRENT
smu.source.func = smu.FUNC_DC_VOLTAGE

-- 测量设置
smu.measure.terminals = smu.TERMINALS_FRONT
smu.measure.sense = smu.SENSE_4WIRE
smu.measure.autorange = smu.ON
smu.measure.nplc = 1

-- 源设置
smu.source.highc = smu.OFF
smu.source.range = 20
smu.source.readback = smu.ON
smu.source.highc = smu.OFF
smu.source.ilimit.level = 4

smu.source.sweeplinear('SolarCell', 0, 20, num, 0.05)

-- 开启触发器模型，并等待其完成
trigger.model.initiate()
waitcomplete()

-- 定义初始值
voltage = defbuffer1.sourcevalues
current = defbuffer1

isc = current[1]
mincurr = current[1]
imax = current[1]
voc = voltage[1]
vmax = voltage[1]
pmax = voltage[1]*current[1]

-- 计算数值
for i = 1, num do
    print(voltage[i],current[i],voltage[i]*current[i])
    if (voltage[i]*current[i] < pmax) then
        pmax = voltage[i]*current[i]
        imax = current[i]
        vmax = voltage[i]
    end
    if math.abs(current[i]) < math.abs(mincurr) then
        voc = voltage[i]
    end
end

pmax = math.abs(pmax)
imax = math.abs(imax)

print("Pmax = ", pmax, ", Imax = ", imax, ", Vmax = ", vmax, ", Isc = ", isc, ", Voc = ", voc)

-- 在2460型仪器前面板显示数值
display.changescreen(display.SCREEN_USER_SWIPE)
display.settext(0, string.format("Pmax = %.4fW", pmax))
display.settext(1, string.format("Isc = %.4fA, Voc = %.2fV", isc, voc))

附录B：SCPI代码实例

本SCPI指令序列实例旨在生成太阳能电池I‑V扫描。您必须进行适当的修改，使之在您的编程环境运行。在这个实例中，电压扫描范围是0V～0.55V，56个阶跃，并测量作为结果的光伏电池电流。电流和电压读数存储在缓冲区（defbuffer1）内。