多波段LED太陽模擬器及其測試系統(tǒng)的研制

李 超，邵劍波，席 曦*，朱益清，劉桂林，王 曉，錢維瑩，陳如龍，朱華新，李果華

(1. 江南大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 無錫 214000； 2. 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214000；3. 無錫尚德太陽能電力有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 引 言

太陽模擬器作為一種人工光源，能夠提供自然光所具有的輻照特性，廣泛用于太陽能電池的檢測與標(biāo)定[1]。目前，太陽電池的測試光源大部分采用的是傳統(tǒng)的氙燈[2-4]，這種光源經(jīng)過光譜修正可以滿足測試所需，但是它在近紅外波段的光譜較強(qiáng)，且成本高、壽命短、功耗大[5-6]。發(fā)光二極管(LED)是一種成本低、能耗小、壽命長的光源，相比于氙燈，還具有光強(qiáng)可控的特點(diǎn)[5]。根據(jù)光譜疊加原理，通過調(diào)節(jié)不同LED光源的組分比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)日光光譜的模擬[7-8]。2003年，日本東京農(nóng)工大學(xué)的Kohraku和Kurokawa采用多種小功率LED，首次研制出了基于LED光源的太陽模擬器[9]。2008年，李果華發(fā)布了國內(nèi)首個(gè)太陽模擬器[10]。自此，LED太陽模擬器開始受到關(guān)注并取得了巨大的研究進(jìn)展。由于LED的可控性，該太陽模擬器兼具了單色光測試、穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)測試等功能，這是傳統(tǒng)氙燈模擬器無法做到的，也正因?yàn)槿绱?，開發(fā)一套新的測試系統(tǒng)就顯得尤為必要。

本文設(shè)計(jì)出一種基于11種波段LED的太陽模擬器，經(jīng)過交流-直流(AC-DC)變換以及降壓電路之后，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)波段LED的單獨(dú)可調(diào)，最終在光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度上均達(dá)到IEC60904-9-2007[11]規(guī)定的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。為了提供配套的測試系統(tǒng)，基于National InstrumentsTM公司的虛擬儀器開發(fā)軟件Labview、數(shù)學(xué)軟件MATLAB以及數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)出太陽電池測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取太陽電池的I-V特性曲線、開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)，同時(shí)可以對(duì)多波段的LED進(jìn)行控制。此外，研究發(fā)現(xiàn)，測試過程中的環(huán)境溫度、輻照溫度等因素會(huì)對(duì)太陽電池的開路電壓、短路電流等參數(shù)造成影響[14-15]，為了提高測試的準(zhǔn)確性，需要修正溫度帶來的測試誤差，因此編寫了溫度修正算法，將測試數(shù)據(jù)修正到標(biāo)準(zhǔn)測試條件。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以對(duì)硅太陽電池片進(jìn)行準(zhǔn)確的測試。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示，整體可以分為三部分。首先太陽模擬器作為光源，為太陽電池提供穩(wěn)定可靠的輻照，且各參數(shù)均達(dá)到了AM1.5標(biāo)準(zhǔn)[11]。其中，直流穩(wěn)壓電源完成AC-DC變換，降壓電路具有5A負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，切合本系統(tǒng)的需求。

其次，采樣電路將太陽電池的電流輸出轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并通過儀表放大器進(jìn)行濾波放大，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓進(jìn)行采集，并通過串口傳送至PC端。

最后，在測試軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)溫度探測模塊采集到的實(shí)時(shí)溫度可用于太陽電池的參數(shù)修正。此外，軟件可以通過繼電器對(duì)LED進(jìn)行開關(guān)控制，以滿足不同條件的測試需求。

圖1 系統(tǒng)組成

3 LED太陽模擬器設(shè)計(jì)

3.1 模擬器指標(biāo)

太陽模擬器的指標(biāo)主要涉及到光譜匹配、輻照不均勻度、長期不穩(wěn)定度3個(gè)參數(shù)。中國太陽模擬器通用標(biāo)準(zhǔn)[16]與英國IEC60904-9-2007[11]中都對(duì)太陽模擬器的等級(jí)及其對(duì)應(yīng)指標(biāo)作出了明確規(guī)定。太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)測試條件要求在輻照面上滿足AM1.5太陽光譜輻照度分布，且達(dá)到1 000 W/m2的光功率。常規(guī)單晶硅太陽電池片的面積為159 mm×159 mm，因此本文選用該區(qū)域作為測試面。

3.2 光譜匹配實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)波段范圍的光譜匹配，采用11種單色大功率LED作為光源，組合成對(duì)稱的LED陣列。本設(shè)計(jì)采用的LED型號(hào)為歐司朗SOLERIQ單色系列。由于LED可控性強(qiáng)，光強(qiáng)可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制，最終將各個(gè)波段范圍的比重調(diào)節(jié)至滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 太陽模擬器光譜分布

3.3 不均勻度實(shí)現(xiàn)

輻照不均勻度的計(jì)算公式為：

E=[(Emax-Emin)/(Emax+Emin)]×100%,

(1)

其中，Emax是有效輻照范圍內(nèi)測得的最大輻照強(qiáng)度，Emin是有效輻照范圍內(nèi)測得的最小輻照強(qiáng)度。輻照不穩(wěn)定度是指在指定測試點(diǎn)上輻照強(qiáng)度的波動(dòng)。由于太陽電池的短路電流可以直接反映輻照光的強(qiáng)度，因此調(diào)節(jié)過程中，利用規(guī)格為2 cm×2 cm且標(biāo)定過的硅太陽電池片進(jìn)行短路電流測試，將輻照面劃分為64個(gè)面積相同的區(qū)域，根據(jù)測試結(jié)果繪制了分布熱圖，如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，在輻照面上的不均勻度為1.81%，滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不均勻度測試結(jié)果

3.4 長期不穩(wěn)定度

IEC60904-9-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3個(gè)不穩(wěn)定度測試點(diǎn)如圖4(a)所示,P1點(diǎn)位于測試面中心，P3點(diǎn)位于測試面頂點(diǎn)，P2點(diǎn)為P1、P3連線上的任意一點(diǎn)。在輻照面上用標(biāo)定過的太陽電池片測試短路電流的波動(dòng)情況，測試結(jié)果如圖4(b)。P1、P2、P3 3個(gè)點(diǎn)的長期不穩(wěn)定度分別為0.997%、0.630%、0.875%。

圖4 輻照不穩(wěn)定度。(a)測試點(diǎn)分布示意圖；(b)測試結(jié)果。

Fig.4 Instability of the irradiance. (a) Distribution point of instability test of irradiance. (b) Test result.

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 測試方法

太陽電池是恒流源[17]，測試過程中，通過不斷改變外加負(fù)載可以達(dá)到改變測試回路電流的目的[18]，從而得到回路的I、V數(shù)據(jù)。由圖5所示的伏安特性曲線可知，當(dāng)負(fù)載為0時(shí)，等效為太陽電池的短路狀態(tài)，此時(shí)的回路電流即為短路電流；當(dāng)負(fù)載趨近于∞時(shí)，等效為太陽電池的開路狀態(tài)，此時(shí)的負(fù)載電壓值即為開路電壓。

圖5 測試過程示意圖

但是，直接改變負(fù)載的測試方法存在如下問題：負(fù)載變化通常不連續(xù)，且不存在理想狀態(tài)下阻值為0的負(fù)載。因此，可以采用外加偏壓的方法，用于抵消光電壓，這種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)了電壓的連續(xù)變化，等效于負(fù)載的變化過程；

(2)負(fù)載電壓可以由程序控制，且步長、方向可調(diào)，能夠滿足不同條件下的電池片測試需要(如正反向掃描)。

設(shè)回路電流為I，數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓為Ui，則：

Ui=kIR,

(2)

其中，k為采樣電路的放大倍數(shù)，R為采樣電阻的阻值。當(dāng)外加偏壓U0從0增大到直至回路電流為0時(shí)，即完成了一次測試掃描。

4.2 采樣電路

本系統(tǒng)中采樣電路完成了電流采集的功能，兼具硬件濾波作用。原理圖如圖6所示。

圖6 采樣電路原理圖

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。主要過程包括：參數(shù)設(shè)定、采樣、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算和修正。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5.1 數(shù)據(jù)處理

為了得到更為精確的太陽電池參數(shù)，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波，以去除數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，得到更為理想的測試數(shù)據(jù)。使用MATLAB的移動(dòng)平均濾波算法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的去噪和平滑化，有利于進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。其次，進(jìn)行回路電流的還原。數(shù)據(jù)采集卡采集到的是經(jīng)過放大后的采樣電阻電壓值，因此利用公式(2)可將其還原為電流值。信號(hào)采集過程中，利用移位寄存器，不斷更新采集數(shù)據(jù)并同步顯示，最終將處理后的數(shù)據(jù)保存至本地，方便后續(xù)的參數(shù)計(jì)算。各參數(shù)的具體計(jì)算方法在MATLAB script中實(shí)現(xiàn)。

5.2 修復(fù)算法

太陽電池的參數(shù)會(huì)隨溫度變化，具體表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，開路電壓減小，短路電流增加，太陽電池效率降低[19-20]。機(jī)理為：溫度上升時(shí)，禁帶寬度下降，導(dǎo)致暗電流增加，開路電壓降低，同時(shí)更多的光生載流子被激發(fā)，串聯(lián)電阻下降，短路電流增加。兩者共同作用下，效率產(chǎn)生衰減[20]。由此可見，如何克服溫度帶來的影響就顯得至關(guān)重要。此外，測試參數(shù)還會(huì)由于光譜失配產(chǎn)生誤差[21]，但是由于本文所用的LED太陽模擬器光源的光譜匹配度滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。

太陽電池測試過程中，引起溫度變化的因素主要是模擬器輻照。通過溫度采集模塊可以實(shí)時(shí)獲取測試面的溫度，進(jìn)而通過計(jì)算，將測試數(shù)據(jù)修正到25 ℃條件下。光伏器件實(shí)測特性和輻照度修正方法標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60891-2009)提出的修正公式[22]為：

I2=I1+α(T2-T1),

(3)

V2=V1+β(T2-T1)-kI2(T2-T1),

(4)

其中，α是短路電流的溫度系數(shù)，β是開路電壓的溫度系數(shù)，k是曲線修正因子。對(duì)于本測試系統(tǒng)，I1、V1分別是標(biāo)準(zhǔn)溫度(25 ℃)下的測試數(shù)據(jù)，I2、V2分別是將T2條件下的數(shù)據(jù)修正后的結(jié)果。

經(jīng)過不同溫度下的測試以及MATLAB程序的擬合，得到開路電壓、短路電流與溫度的關(guān)系如圖8所示。

調(diào)整k的值，使得8組I-V曲線最大功率的極差最小。結(jié)果證明，不同溫度下的數(shù)據(jù)可以很好地修正到25 ℃條件下，如圖9所示。

圖8 Voc、Isc與溫度的關(guān)系。(a)V-T；(b)I-T。

Fig.8 Relationship betweenVoc，Iscand temperature. (a)V-T. (b)I-T.

最終確定的修正公式如下：

I2=I1+0.0005(T2-25),

(5)

V2=V1-(2.4357e-4)(T2-25)-

(3.8e-6)I2(T2-25).

(6)

圖9 溫度修正結(jié)果。(a)修正前；(b)修正后。

Fig.9 Temperature calibration result. (a) Before calibration. (b) After calibration.

6 測試結(jié)果

使用LED太陽模擬器和測試軟件對(duì)159 mm×159 mm的單晶硅太陽電池片進(jìn)行測試，測試界面如圖10。

對(duì)電池片在同一條件下進(jìn)行5組測試，結(jié)果如表1(電池片為無錫尚德太陽能電力有限公司提供的單晶PERC電池)。

對(duì)電池片分別在25,35,45,55 ℃4個(gè)不同溫度下進(jìn)行4組測試，結(jié)果如表2。

由表1可知，各項(xiàng)參數(shù)測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差均在0.205%以內(nèi)，說明測試結(jié)果穩(wěn)定，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由表2可知電池效率的相對(duì)誤差最大為0.64%，相比于圖9(a)中未修正的結(jié)果，各參數(shù)誤差均有所降低，說明系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)曲線進(jìn)行修正和參數(shù)計(jì)算，證明實(shí)驗(yàn)所用的光源是穩(wěn)定的，且測試軟件的修復(fù)算法可以達(dá)到預(yù)期目的。

圖10 測試界面

組別開路電壓/V短路電流/A最大功率/W填充因子效率/%10.6779.4194.9810.78120.54120.6789.4194.9820.78020.57130.6789.4214.9850.78020.57640.6789.4184.9810.78020.56950.6779.4184.9850.78220.539標(biāo)準(zhǔn)差0.000 550.001 220.002 050.000 890.000 31

表2 測試結(jié)果2

7 結(jié) 論

本文利用多種波段組成的LED陣列、光學(xué)系統(tǒng)以及自主設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路，開發(fā)出滿足太陽電池測試所需的太陽模擬器，且在光譜匹配、不均勻度、不穩(wěn)定度上滿足IEC60904-9-2007規(guī)定的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，自主設(shè)計(jì)了配套的測試系統(tǒng)，兼具光源控制、數(shù)據(jù)處理、溫度修正、參數(shù)計(jì)算功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，光源和測試系統(tǒng)均可以穩(wěn)定運(yùn)行，且測試結(jié)果的誤差很小，完全可以滿足實(shí)際測試要求。此外，相比于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，成本大大降低，可滿足實(shí)際工業(yè)和生產(chǎn)中的測試需求。

致謝：感謝南京黛傲光電科技公司對(duì)本文工作提供的支持，感謝無錫尚德太陽能電力有限公司為本文實(shí)驗(yàn)提供的電池片。