太阳能电池测试中电子负载应用

太阳能作为一种“取之不竭，用之不尽”的能源，具有普遍、安全、无害、巨大及长久的特点，现在在人们的生活中得到广泛的应用，如太阳能热水器、太阳能空调、太阳能照明等，而这些又需要到另外一种太阳能产品——太阳能电池，作为一种能把太阳能从光能转化为电能并予以保存的电力设备，与其他电池设备具有如下优点：
(1)太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输，可以太阳能电池可以直接把太阳能转化为电能。
(2)利用太阳能来发电，不会像火力及水力发电，不会污染环境，也不会阻拦河流，它是最清洁能源之一，在环境污染及水资源稀缺越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的，而太阳能电池则可有效地把太阳能转化为电能予以保存下来。
(3)每年到达地球表面上的太阳能辐射约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源，这就给太阳能电池提供了充足的能源动力。
(4)根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的，可给太阳能电池发展一个广阔而长远的空间。
太阳能产业的成长增加了对太阳能电池测试和测量解决方案的需求，而且随着太阳能电池尺寸的增大和效率的提高，电池测试需要运用更大的电流和更高的功率水平，这就要求采用更加灵活的测试设备。
通常需要测量太阳能电池的几项关键参数，这些参数主要是：
●开路电压。在电流等于0时的电池电压。
●短路电流。当负载电阻等于0时，从电池流出的电流。
●电池的最大功率输出。电池输出最大功率时的电压值和电流值。
●电池的电压值。
●电池的电流值。
● 电池串联电阻。
● 电池旁路电阻（或并联电阻）。
常见解决方案
现在，太阳能电池测试解决方案主要有两种形式：完整的交钥匙系统和通用的测试仪器。
如果需要在太阳能电池最大输出功率时进行测试，许多研究实验室都具备低功耗四象限电源（有时也称为SMU），并具有以下功能：
● 提供精确的正电压和负电压（“提供”也可称为“施加”）。
● 提供精确的正向和反向电流（提供反向电流也被称为电流流入到电源中）。
● 精确地测量待测器件（DUT）的电压和电流（测量也被称为检测）。
大多数高精度四象限电源都只能提供3A的电流或20W的连续功率。
在测试较小的单个电池时，这些最大电流和功率是可接受的，但是随着电池技术向更高的效率、更大的电流密度和更大的电池尺寸推进，电池的功率输出将很快会超出这些四象限电源的最大额定值。太阳能模组的输出通常会超过50W，而且可能会爬升至300W或更高，这意味着许多针对模组的测试都无法使用四象限电源来完成。
在这些情况下，工程师应当借助于现成的电子负载、直流电源、DMM和数据采集设备，包括温度测量、扫描、转换和数据记录设备，以便在宽泛的操作范围内灵活地进行独特的测试，并且达到预期的测试精度。例如，可以使用数据采集系统来扫描环境和待测器件的温度，已校准的参考电池的电压，以及在测试中需要捕获的各种其他测试参数。
对于太阳能电池的测试，一般标准的电子负载就可用于测试太阳能电池。
考虑到太阳能电池会产生能量，当使用四象限电源对它进行测试时，电源的实际工作模式是：太阳能电池在电源的端子上施加一个正电压。同时，电流从太阳能电池流入四象限电源的端子，这意味着四象限电源看到的是反向电流（就其端子而言）。在这些条件下，也可以称四象限电源是“电源沉”。
从电学上讲，两端加有正电压并有电流流入（也就是反向电流）的仪器被称为电子负载。因此，对于大多数有光照射并且太阳能电池也产生能量的太阳能电池测试而言，四象限电源实际上发挥着电子负载的作用。
使用电子负载的优势在于这种负载可用在各种电流和功率水平。使用额定50W或高达数千瓦特和数百安培的电子负载，可以轻松克服四象限电源带来的3A，20W的限制。
电子负载可在恒压、恒流、恒阻及恒功率模式下对太阳能电池进行工作。比如在恒压模式下电子负载可以通过调节流经自己的电流，从而调整它两端的电压，以保持恒定的电压值。因此，恒压模式可用于创建电压扫描，使用负载来控制太阳能电池输出端的电压，然后测量产生的电流（如图1所示）。


图1
其他模式，电子负载亦可通过调节流经自己的电流的工作，从而可以调整自己的电压值或功率直（如下列图2、图3、图4）。

图2 图3 图4
有些负载（如费思科技的FT6600A系列）可以快速地执行一系列CV定位点，以便在CV模式下扫描输出电压，从而快速地描绘出I-V曲线。同时，负载可以将从太阳能电池流出到负载内的电流波形数字化，类似于捕获示波器曲线。
费思FT6600A能够对太阳能电池进行长时间的测试记录计算，如电池的充放电测试记录、内阻计算、容量计算；电子负载有较强的程控功能和人机界面，通常具有彩色图形显示界面和GPIB接口。



图5 FT6600A系列多通道可编程直流电子负载