【技术讲座】光伏电池电气性能的测量(上)

 
中心议题：
        *光伏电池的特征及测量

光伏（PV）电池和材料的电气特征分析需要多种电气测量，可在电池研发或制造工艺过程中进行。这些测试包括电流与电压关系（I-V）、电容与电压关系（C-V）、电容与频率关系（C-f）和脉冲I-V测试等。利用这些电气测试结果可以提取出很多常用的参数，例如输出电流、最大输出功率、掺杂密度、转换效率、电阻率和霍尔电压。

光伏电池采用各种吸光材料制作，包括结晶和非晶硅，碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒化物（CIGS）材料制成的薄膜，以及有机/聚合物类的材料。

光伏电池等效电路模型

光伏电池的等效电路模型如图1所示。理想的模型可以表示为一个感光电流源并联一个二极管。光源中的光子被太阳能电池材料吸收。如果光子的能量高于电池材料的能带，那么电子就被激发到导带中。将一个外部负载连接到光伏电池的输出端，就会产生电流。

图1 由串联电阻（rs）、分流电阻（rsh）和光驱电流源构成的光伏电池等效电路

对于电池衬底材料、金属导线和接触点中存在的材料缺陷和欧姆损耗，光伏电池模型分别用串联电阻（rs）和分流电阻（rsh）表示。串联电阻是一个关键参数，因为它限制了光伏电池的最大可用功率（Pmax）和短路电流（ISC）。

串联电阻与电池上的金属触点电阻、电池前表面的欧姆损耗、杂质浓度和结深有关，理想情况下应为零。分流电阻是电池边缘的表面漏电流或晶格缺陷造成的损耗，理想情况下应为无穷大。

光伏电池的I-V测量

可以利用直流I-V曲线图（见图2）对光伏电池进行评测。电池产生的最大功率（Pmax）出现在最大电流（Imax）和最大电压（Vmax）交叉点，曲线下方的面积表示不同电压下电池产生的最大输出功率。我们可以用安培计和电压源、数字源表或源测量单元（SMU）生成I-V曲线图。为了适应这类应用需求，测试设备必须能够在可用的量程范围内提供电压源并吸收电流，同时，提供分析功能以准确测量电流和电压。简化的测量配置如图3所示。
 

图2 I-V曲线给出了光伏电池的典型正偏特性，其中最大功率（Pmax）出现在最大电流（Imax）和最大电压（Vmax）的交叉点。

图3 由电流源和伏特计组成的太阳能电池I-V曲线测量系统

测量系统应该支持四线测量模式。采用四线测量技术能够解决引线电阻影响测量精度的问题。例如，可以用其中一对测试引线提供电压源，用另一对引线测量流过电池的电流。关键要把测试引线放在距离电池尽可能近的地方。(未完待续 )