適用于光伏電池的多通道I-V測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郭棟梁， 楊文振， 劉 禹， 劉 江， 鄧永強(qiáng)， 廖 成， 何緒林， 梅 軍

(1. 中物院成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心， 四川 成都 610200； 2. 成都項(xiàng)目管理學(xué)會， 四川 成都 610000； 3. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

0 引 言

能源危機(jī)和環(huán)境問題開始成為限制人類發(fā)展的重大問題. 太陽能憑借著其存量豐富、 使用過程環(huán)保無污染和用之不竭的特點(diǎn)成為新一代清潔能源的首選. 圍繞新型薄膜半導(dǎo)體的光伏應(yīng)用以及一些微納材料與器件的開發(fā)是當(dāng)前基礎(chǔ)研究中的重要課題[1]. 其電學(xué)特性的測試設(shè)備在材料與器件開發(fā)中扮演著重要角色. 目前， 針對薄膜電池測試實(shí)驗(yàn)技術(shù)所采取的主要手段為對單個電池組進(jìn)行逐一手動測試， 整個工作效率極低， 損失了光伏樣品性能測試中的實(shí)時性優(yōu)勢. 最近， 我國材料基因計(jì)劃提出對于高轉(zhuǎn)換效率的新型薄膜電池[2-10]， 利用材料基因工程[11]的方法快速研發(fā)就需要完成大量的測試實(shí)驗(yàn)， 將軟件自動化控制技術(shù)與材料測試相結(jié)合， 建立多通道測試技術(shù)， 對不同材料的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行快速充分挖掘、 整理和分析， 可極大縮短研發(fā)周期.

針對電池測試的一個重要研究內(nèi)容是開展電池電流I-電壓V性能測試[12]. 現(xiàn)有市場以及實(shí)驗(yàn)室中測試設(shè)備的研究多針對硅基太陽能電池[12-20]， 價格較高， 且對于新型薄膜電池在電池固定和電極接觸等方面考慮不夠充分， 導(dǎo)致新型薄膜電池的測試工作效率低. 同時， 測量過程中的多個夾具采用， 造成操作繁瑣， 甚至對電池樣品遮擋， 從而影響電池效率的準(zhǔn)確性. 反復(fù)調(diào)整測試夾具異常繁瑣， 可能造成測量誤差， 甚至對精密的光電器件造成不可逆的損壞. 所以領(lǐng)域科研發(fā)展急需針對新型薄膜電池I-V特性開發(fā)多通道測試裝置.

本文針對光伏電池的多通道測試表征需求， 結(jié)合單片機(jī)、 源表、 太陽光模擬器為一體的多通道快速測量系統(tǒng)， 不僅可以快速獲取多個電池的I-V測試曲線， 并且提供擬合實(shí)驗(yàn)參數(shù)從而計(jì)算出光伏電池性能參數(shù).

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 1 光伏電池樣品多通道I-V測試系統(tǒng)Fig.1 Multi-channel I-V measurement system for photovoltaic devices

本系統(tǒng)針對光伏電池的I-V特性進(jìn)行測量， 并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 計(jì)算出電池光伏性能參數(shù). 系統(tǒng)包括上位機(jī)、 下位機(jī)和測量模塊， 并提供了通信設(shè)置、 參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)顯示和保存功能. 本系統(tǒng)主要包括待測光伏電池樣品、 數(shù)字源表Keithley 2400、 太陽光模擬器、 通道切換電路以及基于LabVIEW開發(fā)的軟件系統(tǒng). 太陽光模擬器采用卓立漢光150W-AAA級太陽光模擬器， 具有光束準(zhǔn)直、 光斑均勻、 光譜與太陽光匹配度高等特點(diǎn). 出射光斑大小為40 cm×40 cm， 最大輻照度1 200 W/m2， 光譜匹配度為A級匹配， 不均勻度2% A級， 不穩(wěn)定度2% A級.

為了保證測試準(zhǔn)確性和快速性， 本系統(tǒng)(如圖 1 所示)采用電壓源、 電流源、 電壓表、 電流表4合1的適用于快速測試的儀器Keithley 2400. 測量源表的加載電壓電流精度高、 信號采集速度快、 控制方式簡便， 能夠很好地適應(yīng)光伏電池性能表征.

2 測試裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖 2 多通道測試電路板硬件實(shí)物圖Fig.2 Image of printed circuit board for multi-channel measurement

在實(shí)際應(yīng)用中， 每個測試基底包含多個不同的電池材料樣品. 為實(shí)現(xiàn)多通道測試功能， 每個電池樣品在完成測試后， 基底保持原位， 而測試系統(tǒng)需要切換至下個通道以準(zhǔn)備新的測試. 本系統(tǒng)(如圖 2 所示)對此專門設(shè)計(jì)用來進(jìn)行通道快速切換的電路板， 選用了相應(yīng)的微控制芯片(MCU)、 繼電器、 USB轉(zhuǎn)串口芯片、 電壓反向芯片， 模擬開關(guān)等相關(guān)部件， 并自主設(shè)計(jì)了電池夾具與多觸點(diǎn)探頭. 系統(tǒng)通過USB接口對芯片供電， LabVIEW通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊. 指令下發(fā)到單片機(jī)之后控制相應(yīng)的管腳輸出電壓信號以控制繼電器通道的通斷， 系統(tǒng)中的5路LED燈可用來實(shí)時監(jiān)測通道的測量狀態(tài). 另外對于非標(biāo)準(zhǔn)測試樣品數(shù)的電池， 單獨(dú)設(shè)計(jì)了5個手動通道， 可為系統(tǒng)的通道切換提供手動方式.

傳統(tǒng)的測試設(shè)備中光伏電池固定采用的是“夾持式”固定方式. 這種固定方式不僅可能會對電池表面造成一定的劃傷， 還會因?yàn)閵A持裝置的遮擋導(dǎo)致電池尺寸需要擴(kuò)大甚至使得樣品受光照不均勻. 因此， 本系統(tǒng)的電學(xué)接觸采用彈簧針式的單向多點(diǎn)接觸設(shè)計(jì). 彈簧針材料為銅， 系統(tǒng)中線路的電阻小于0.2 Ω， 電池測試開路電壓為1 V， 電流為2 mA， 故系統(tǒng)電阻造成的壓降為0.2 mV， 系統(tǒng)測試誤差小于1‰. 這種接觸方式能夠滿足傳統(tǒng)測量中信號的導(dǎo)出， 同時彈簧針的可壓縮結(jié)構(gòu)也能夠消除因?yàn)槎鄻悠窚y試下各個樣品表面受力不均而導(dǎo)致的虛接觸現(xiàn)象， 提高了器件電學(xué)接觸的可靠性.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺因其便利性、 廣泛的適應(yīng)性、 多分析函數(shù)、 高編程效率被廣泛使用在測試系統(tǒng)中[21-23]， 用戶可以根據(jù)自身的測量需求在LabVIEW 的前面板設(shè)置測量參數(shù). 本系統(tǒng)中使用LabVIEW 同Keithley源表和上述硬件電路進(jìn)行通信， 實(shí)現(xiàn)電壓電流信號加載和采集. 并且通過LabVIEW的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和I-V曲線擬合， 以自動得到各個樣品的性能關(guān)鍵參數(shù).

在整個系統(tǒng)測量的設(shè)計(jì)中， 為了方便用戶使用， 控制面板采用了如圖 3 所示的模塊化設(shè)計(jì)思想. 從圖 3 中可以看出： 系統(tǒng)中包括單片機(jī)配置模塊、 源表配置模塊、 測量模式配置模塊和測量結(jié)果顯示模塊， 系統(tǒng)中除基本的配置外， 還可以選擇加壓測量和加載電流測量、 配置服從等級、 起始值和最終值、 測量點(diǎn)數(shù)， 測量時間和觸發(fā)延時等.

圖 3 多通道測試系統(tǒng)軟件Fig.3 Graphical interface of software for multi-channel measurement system

首先對使用LabVIEW 編寫的測試軟件進(jìn)行初始化的設(shè)置， 連接單片機(jī)和Keithley端口后對單片機(jī)和源表進(jìn)行配置設(shè)置. 按照測試需求進(jìn)而設(shè)置電路和源表的服從等級、 掃描范圍、 測量點(diǎn)數(shù)、 觸發(fā)時間等； 然后按照測量需求選擇測量模式、 循環(huán)測量次數(shù)間隔時間、 測量方向、 四端子測量等. 開始測試時， 由Keithley 源表對電池進(jìn)行加壓， 在太陽光模擬器的照射下加載電壓， 鈣鈦礦電池會產(chǎn)生相應(yīng)的電流， 通過在標(biāo)準(zhǔn)模式下對電壓電流信號的采集和處理便可以得到電池的填充因子和電池轉(zhuǎn)換效率.

在測量模式配置模塊， 用戶可以根據(jù)自身的需求選擇單次測量和連續(xù)測量. 單次測量中又可以選擇測量的通道、 測量的次數(shù). 連續(xù)測量時， 選中單片機(jī)和Keithley的串口進(jìn)行基本的配置， 如設(shè)置觸發(fā)時間、 測量點(diǎn)數(shù)、 峰值電壓、 服從等級等， 將樣品固定在樣品平臺中， 選擇正掃模式或者是反掃模式， 配置完成后， 點(diǎn)擊開始， 系統(tǒng)將對每個子電池逐步進(jìn)行電壓電流測試. 5個虛擬布爾指示燈可以實(shí)時顯示某個電池的測量狀態(tài). 顯示模塊中， 測試系統(tǒng)根據(jù)采集到的信號將數(shù)據(jù)擬合成為電池的I-V曲線， 同時經(jīng)過后面板數(shù)據(jù)處理后還得出了電池的短路電流、 開路電壓、 最大功率、 填充因子等相關(guān)參數(shù). 由于測量的數(shù)量較大， 我們同時提供了儲存路徑， 用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行命名和儲存.

2.3 后臺算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了嵌套式的循環(huán)結(jié)構(gòu)， 內(nèi)部的核心分為平鋪式3部分：

1) 完成Visa端口的打開和接入后的一些基本參數(shù)配置， 通過調(diào)用串口通信插件生成串口輸入控件， 在單片機(jī)接入計(jì)算機(jī)時， 計(jì)算機(jī)自動識別串口標(biāo)識， 通過選擇找到指定的通信串口； 然后進(jìn)行串口的配置， 包括波特率奇偶校驗(yàn)位等； 完成串口通信設(shè)置之后需要將指定的指令進(jìn)行寫入， 通過Keil進(jìn)行單片機(jī)指令的編寫， 串口燒寫助手將其寫入單片機(jī)內(nèi)部. 當(dāng)前置面板用戶選擇不同測試方式時， 相應(yīng)的控制指令會通過LabVIEW后臺程序進(jìn)行選擇， 對應(yīng)不同測試方式的指令通過串口寫入單片機(jī)， 單片機(jī)進(jìn)行字符串的識別匹配， 完成端口高低電平輸出和反饋指令串口輸出.

2) 根據(jù)Keithley數(shù)據(jù)手冊， 相應(yīng)的控制指令寫入源表控制芯片時， 源表將電壓等信號加載并采集回來， 進(jìn)行算法上的處理， 并運(yùn)用LabVIEW提供的擬合函數(shù)進(jìn)行曲線擬合， 得出系統(tǒng)的短路電流和開路電壓填充因子[24, 25]

可以看出， 當(dāng)表征電池能量轉(zhuǎn)換效率為PCE時， 需要測量開路電壓Voc和短路電流密度jsc、 填充因子FF和太陽光強(qiáng)度pm. 在我們的設(shè)計(jì)中， 將采集回來的數(shù)據(jù)用4階多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合， 最終得到電池I-V曲線參數(shù)， 經(jīng)過計(jì)算得出電壓開路電壓和短路電流， 進(jìn)而得到填充因子和光電轉(zhuǎn)化效率.

3) 數(shù)據(jù)顯示和保存. 在表征電池效率時， 通過后臺程序設(shè)計(jì)好基本的命名規(guī)則， 將所要保存的文件名的格式在前臺進(jìn)行輸入， 名稱在后臺進(jìn)行一定的編輯， 使其成為標(biāo)準(zhǔn)的命名方式， 保存路徑同樣按照標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行設(shè)置， 這樣在數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)酱颂帟r便可以將其按照規(guī)則依次寫入指定的文件當(dāng)中， 方便數(shù)據(jù)的管理和后期的查詢.

3 系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果

圖 4 五通道測試結(jié)果Fig.4 Test results based on the 5-channel measurement system

利用本測試系統(tǒng)對有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池 (ITO/TiO2/ FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45/spiro-OMeTAD/Au)的伏安特性曲線進(jìn)行了多次測試實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性高， 取其中的一次5組數(shù)據(jù)畫出的電壓電流密度曲線如圖 4 所示. 其顯示了本文開發(fā)的多通道測試系統(tǒng)， 研究者可以對樣品襯底的各個子電池進(jìn)行快速測試， 并完成數(shù)據(jù)存儲和處理， 其整體操作提高了實(shí)驗(yàn)效率. 另外， 我們還可以設(shè)置定時程序， 對多個鈣鈦礦電池同時進(jìn)行穩(wěn)定性測試， 省去了傳統(tǒng)逐個測試的不便. 并且， 在多個樣品的測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)劃傷等影響， 夾具沒有對太陽光照造成影響， 所以測量的結(jié)果更準(zhǔn)確更接近真實(shí)的水平， 多次測量結(jié)果一致度高.

4 結(jié)束語

隨著光伏產(chǎn)業(yè)越來越受重視和薄膜電池的快速發(fā)展， 對于薄膜太陽能電池材料設(shè)計(jì)的快速篩選尤其重要， 而其中需要建立更為快速的檢測手段. 本系統(tǒng)憑借建立的多通道測試系統(tǒng)， 能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集， 完成一致程度高的測試目的， 能夠適應(yīng)光伏電池研發(fā)中的快速檢測， 應(yīng)用前景廣闊.

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