毕业设计论文太阳电池测试系统研究与分析.doc

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1、SHANDONG毕业论文太阳电池测试系统研究与分析学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学生姓名： XXX 学 号： 071220xxxx 指导教师： 彭丽英 20 年 月摘要摘 要在现代太阳电池生产中，存在着大量太阳电池伏安特性的测试问题。由于一般的二线制测试方法，测量结果会由于引线上的压降影响而不准确。因此，本研究采用电源负载四端法（即四线制测量原理），设计一种能够根据不同的被测件，自动实现自适应调节，选择不同的程序放大模块，满足不同等级的电流电压测量的需求，准确测量各个参数的太阳电池测试系统。太阳电池测试系统主要包括太阳光模拟器、基于ATmegal6单片机的数据采集

2、与控制单元和基于PC上位机的数据处理单元；它的工作过程为：采用脉冲氙灯太阳光模拟器作为光源，模拟器发出的光照到太阳电池上，经A/D转换器把模拟信号转化为数字信号，经RS-232接口送入计算机进行数据计算与显示，实现太阳电池电流、电压，温度和光强的测量；本论文研究的内容主要包括：总体方案论证、光学系统研究、数据采集与处理系统研究、软件设计与误差分析；其中选用了精密放大器AD620AN，两端式的电流型集成温度传感器AD590，进行数据的采集，数据处理的核心部件是ATMEL公司的AVR系列单片机ATmegal6，以及TI公司的16位AD转换器ADS8341和DA转换器TLV5618等。另外通过软件设

3、计能有效地实现太阳电池特性的测量，并对可能造成的误差进行了分析，验证了方案的可行性。此测量系统具有工作稳定、分辨率高、自动选择合适的测量范围等特点，测量范围为电压：050V，电流：010A，分辨率：电压：1mV电流：1mA。本设计可以解决各种太阳电池的参数测试问题，通过太阳电池测试系统得到的参数可以用来评价太阳电池性能优劣。完善太阳电池测试系统有利于研究电池特性，进而改善电池性能，具有现实意义。关键词：太阳电池、测试设备、太阳光模拟器、数据采集、伏安特性、曲线拟合30ABSTRACTABSTRACTIn the modern solar cell production, there are a

4、 large number of solar cells IV characteristics of the test problems. Wire test due to the general method, the measurement results will be affected because the voltage drop across the leads and not accurate. Therefore, this study used four-terminal method power load (is, four-wire measurement princi

5、ple), to design a test according to the different parts, automatically adaptive, select a different program amplifier module to meet different levels of current and voltage measurements demand, accurate measurement of the parameters of the solar cell test systems.Solar testing system includes solar

6、simulator, microcontroller based ATmegal6 data acquisition and control unit and PC-based host computers data processing unit; It works as follows: pulsed xenon lamp solar simulator as light source, emitted light to the solar simulator, and by the A / D converter to convert the analog signals into di

7、gital signals, the RS-232 interface into the computer data calculation and display, to achieve solar cell current, voltage, temperature and light intensity measurements; The contents of this thesis include: overall program feasibility studies, the optical system, the data acquisition and processing

8、system, software design and error analysis; which used a sophisticated amplifier AD620AN, both ends of the type of current-mode integrated temperature sensor AD590, the data acquisition, data processing is a core component of ATMELs AVR family of microcontrollers ATmegal6, as well as TIs 16-bit A /

9、D converter ADS8341 and D / A converter TLV5618 and so on. In addition the software design can effectively achieve the measurement of solar cell characteristics, and possible errors are analyzed to verify the feasibility.This measurement system has a working stable, high resolution, automatically se

10、lect the appropriate measurement range and other characteristics of the voltage measurement range: 050V, current: 010A, Resolution: Voltage: 1mV Current: 1mA. This design can solve the test problems of various parameters of solar cells, solar cell testing system through the parameters obtained from

11、solar cells can be used to evaluate the performance advantages and disadvantages. Improve the testing system is conducive to study solar cell characteristics, thus improving battery performance, has practical significance.Keywords: solar cells, test equipment, solar simulators, data acquisition, vol

12、t-ampere characteristic, curve fitting目录目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 引言11.1 本课题研究的目的和意义11.2 太阳能电池的分类11.3 太阳电池测试仪的国内外发展状况21.3.1 太阳光模拟器21.3.2 测试电路31.3.3 曲线拟合31.4 本课题研究的主要内容及目标4第二章 太阳电池测试原理与系统结构52.1 太阳电池的基本原理52.1.1 太阳电池的等效电路62.1.2 太阳电池参数的定义92.2 太阳电池伏安特性曲线测量原理102.2.1 伏安特性的一般测量方法102.2.2 四线制测量原理102.2.3 电子负载测量

13、方法122.3 测试系统的总体结构设计13第三章 太阳光模拟器153.1 常用的太阳光模拟器153.2 衡量太阳光模拟器的主要技术指标163.2.1 辐照强度163.2.2 辐照不均匀度163.2.3 辐照强度的不稳定度163.2.4 光谱失配误差16第四章 太阳电池测试系统的硬件设计194.1 测试系统硬件设计概述194.2 数据采集控制电路设计194.2.1 电压、电流采样电路设计194.2.2 电子负载电路224.2.3 温度采样控制电路254.2.4 光强采样电路274.3 数据处理电路的核心控制器件284.4 数据传输电路设计29第五章 太阳电池测试系统的软件设计315.1 软件概述

14、315.2 数据采集与预处理单元的程序设计315.2.1 电压电流采样的控制程序325.2.2 光强采样程序335.2.3 温度采样与控制程序335.3 上位机软件设计345.3.1 曲线拟合355.3.2 数据库功能375.4 单片机与上位机之间的通讯程序设计385.4.1 单片机串行通信软件设计385.4.2 MsComm控件实现上位机串行通讯405.4.3 系统的通讯协议41第六章 测试结果与误差分析426.1 测试结果分析426.2 误差分析43第七章 总结和展望457.1 全文总结457.2 改进和展望45参考文献47致谢及声明48附录49第一章 引言第一章 引言1.1 本课题研究的

15、目的和意义随着各国经济的高速发展，环境污染、能源危机、生态破坏、温室效应正在不断加剧，能源问题逐渐成为各国的可持续发展的首要问题。随着全球能源的需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为急待解决的问题。在各种可再生的能源中，占地球总能量99以上的太阳能是最理想的可再生绿色能源之一，它取之不尽、用之不竭，因此将太阳能转化为电能和热能为人类服务一直是科学家追求的目标。太阳能电池是一种可直接将太阳能转化为电能的装置，所以它一直是世界各国作为新的清洁能源的主要研究的目标之一。太阳电池测试设备是评价太阳电池性能优劣的重要仪器，它不仅是保证太阳电池质量的重要手段，也是进一步研究电池特性和原材料性能的工具

16、。对太阳电池进行测试和分类，有助于生产出高组合效率和低组合损失的太阳电池；能为用户提供正确的技术参数，以达到改善负载匹配、选择最佳工作状态、充分发挥效益的目的。尤其对太阳电池生产厂家而言，在线检测设备能够保证产品合格出厂，因此对太阳电池性能的测试研究具有十分重要的意义。1.2 太阳能电池的分类根据不同的方式可以对太阳能电池进行相应分类：根据所用材料来区分，太阳能电池可以分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池。其中硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。化合物薄膜太阳能电池包括砷化镓-化合物太阳能电池、硒化镉太阳能

17、电池和铜铟硒太阳能电池等等。有机太阳能电池又分为有机小分子太阳能电池和聚合物太阳能电池1。从利用技术的成熟度来区分，太阳能电池可以分为2： 第一代太阳能电池：晶体硅太阳能电池。第二代太阳能电池：各种薄膜太阳能电池，包括：非晶硅薄膜太阳能电池(-Si)、碲化镉太阳能电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)、砷化镓(GaAs)太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池。第三代太阳能电池又称为高效太阳能电池。目前正在研究的包括各种叠层太阳能电池、热光伏电池(TPV)、量子阱以及量子点的超晶格太阳能电池、中间带太阳能电池、上转换太阳能电池、下转换太阳能电池、热载流子太阳能电池、碰撞离化太阳

18、能电池等新概念太阳电池。1.3 太阳电池测试仪的国内外发展状况 太阳电池测试设备在国外已得到广泛应用，各大太阳电池生产厂家都有系列化产品。太阳电池测试仪的关键部件为太阳光模拟器、测试电路、数据处理、分析和显示系统。下面从三方面来叙述国内外的研究状况。1.3.1 太阳光模拟器太阳光模拟器作为太阳电池的关键部件。总体上来说有稳态太阳光模拟器与脉冲太阳光模拟器。无论是稳态还是脉冲，其结构大同小异。开始采用的是闪光灯光源，如欧洲空间研究和技术中心的卫星服务部研制了一套太阳光模拟器，它有氙灯、滤光镜、光传感器、缩放操作杆、矫正棱镜等组成。它的核心思想是：将光分解成不同波长，然后再合成，形成与太阳光谱相近

19、的AM1.5太阳光。具体是将氙灯投出的光，通过滤镜盘，滤镜盘上安装了不同波长的滤镜。其大小可以通过缩放操作杆操控。当光线通过滤镜盘后，形成了与太阳光光谱相近的光，通过矫正棱镜，形成较均匀的模拟太阳光。这种装置被M.WATANABE&CO.LTD生产。这种方法也被美国科罗拉多州太阳能研究所研究，形成了如图1-4所示的方法。该方法采用两个氙灯与一个钨灯作为Beam1、Beam2、Beam3的光源，通过滤镜形成高了三种波长的光线：UV、IR、VIS，经过透镜通过一定大小的孔后，合成为一束光束，在经过一定大小的孔，通过透镜形成均匀且具有与1.5AM太阳光相近光强的光束。国内的研究状况:我国从70年代开

20、始研制太阳光模拟器，一般均在科研单位，往往均不太理想。到80年代，先后有北京太阳能研究所、北京有色金属研究总院、西安交通大学、长春光机所、上海科技大学、复旦大学、天津1418所、航天部上海811所等，自八十年代开始，宁波、开封、云南、秦皇岛和深圳等太阳电池生产厂引进了单体太阳能电池测试仪，但现在基本已老化。在研究机构中，上海交通大学、西安交通大学在国家853计划及其它基金的支助下，完成了太阳电池测试仪的研制。国内太阳电池测试设备的研究开发经历了几个阶段，先是用稳态光源太阳光模拟器，如碘钨灯光源的测试设备，典型的有西安交大太阳电池研究室研制的CCM-2C型太阳电池测试仪。但由于稳态光源的太阳光模

21、拟器功耗大、温升高，一般有效测试精度1%左右。国内测试设备多采用碘钨灯做光源。目前，上海交通大学已研制出用氙灯做光源的较为先进的太阳电池测试设备，在AM1.5条件下能测试太阳电池。国外较先进的测试设备也采用氙灯做光源，由于国产氙灯质量较差，国外进口的氙灯比较贵，因此国内引进的以氙灯做光源的测试设备并不多。采用脉冲闪光灯作为太阳光模拟器的测试设备，闪光灯光源发出的光是冷光，其光谱特性十分接近日光，光源色温为5700K-6000K。由于闪光脉冲持续时间很短，一般小于一毫秒，不会引起太阳电池表面温度的变化，因此，可以省去恒温设备。给测试设备配备不同闪光指数的闪光灯做脉冲光源，可方便的实现对太阳电池单

22、体、组件及阵列的测量。这在缩小测试设备体积、阳氏成本和功耗方面取得了一定进展。如西安交大87年研制的SGC-2A型太阳电池测试仪，即可单独用于测量太阳电池单体、组件和阵列的电压、电流，又可与CCM-2C型测试台联机测量太阳电池组件和方阵的伏安特性曲线，并计算打印出各种参数。1.3.2 测试电路测试电路主要用于测量太阳电池的九大测试参数。其关键测试部件是电子负载。国内外采用的电子负载有电容式电子负载、电桥式电子负载、场效应管式压控负载、嵌位电压式电子负载、可调电子负载。美国专门生产太阳能设备的SPIRE公司，采用嵌位电压式电子负载；日本的M.WATANABE&CO.LTD生产的太阳电池测试仪也采

23、用嵌位电压式电子负载；上海大学材料学院研制的太阳能测试仪采用的是电桥式电子负载；上海交通大学研制的JD-02单体太阳电池测试仪采用的是嵌位电压式电子负载。1.3.3 曲线拟合软件的最主要任务是根据测量得到的有限I、V点准确地得到太阳电池的I-V曲线问题。关于I-V曲线算法方法很多，有采用自适应伪蒙特卡罗法、自适应搜索算法、数论方法、解析模型法等，下面对几种方法做一下简单的介绍:(1)自适应搜索算法(自适应伪蒙特卡罗法)以太阳电池等效电路的数学模型为基础建立目标函数，拟合时利用自适应搜索算法来随机地确定收缩比，即用第t次拟合中的计算结果来确定t+1次的最优参数可取值范围，使各步中目标函数的参数空

24、间构成一个最优决策序列。拟合结果表明该算法比直接采用序贯数论优化算法(SNTO)具有更少的计算量，更高的收敛性。(2)通过建立不同的数学模型来确定算法通过对太阳电池的等效电路数学模型的分析，根据测得的有限点数据，利用简单的线性最小二乘拟合，得出拟合函数。双指数数学模型拟合精度较高，计算较容易，为拟合太阳电池的I-V曲线提供了一个新的方法。(3)数论方法通过对太阳电池数学模型方程的分析，指出该方程为超越方程，常用的一元线性回归New-Gass不适用，参照目前数学界关于非线性研究的最新成果，选用线性规划中的单纯形法，解决了该超越方程问题。数论的方法是一种较新的算法，它的拟合精度较高，而且它能将其余

25、的太阳电池参数:串联电阻、并联电阻、光生电流、反向饱和电流等确定下来。1.4 本课题研究的主要内容及目标（1）本课题的主要内容是进行总体方案论证、光学系统研究、数据采集与处理系统研究、软件设计与误差分析。测试系统设计的性能指标如下：电压：050V，分为010V，025V，050V三档；电流：010A，分为0lA，05A，010A三档；分辨率：电压：1mV电流：1mA(最小测试量程下)；辐照不均匀度：3；计算机屏幕显示：太阳电池各项参数、I-V曲线。测试系统的功能要求和设计重点：选择合理的光源；测试档位的自动选择；解决各种干扰问题；I-V曲线拟合的精确性。（2）本课题研究的主要目标是研究可满足太

26、阳电池测试的测试系统，使其能够根据不同的电流和电压参数自动选择合适的测量范围，准确测量各个参数。通过太阳电池测试系统得到的参数可以用来评价太阳电池性能优劣。完善太阳电池测试系统有利于研究电池特性，进而改善电池性能。 第二章 太阳能电池测试原理与系统结构第二章 太阳电池测试原理与系统结构 2.1 太阳电池的基本原理太阳电池的基本原理与一般硅太阳电池的基本原理是相同的，也是直接把太阳能转换成电能的器件，它利用PN结的光生伏特效应产生电压。当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别产生电子-空穴对。由于从太阳电池表面到体内入射光强度成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，从而

27、产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达PN结n区边界时，由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。同理，从p区产生的光生电子到达PN结区p侧边界时，立即被内建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。同样，空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区。PN结及两边产生的光生载流子就被内建电场分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在PN结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏打效应或光伏效应。当太阳电池的两端接上负载， 这些分离的电荷就形成电流3,4。由上面的分析可知，由光照产生的电流与PN

28、结反向电流方向相同。根据电子学理论5，PN结的整流特性为： (2-1)其中：为PN结的电流(A)；为二极管的反向饱和电流(A)；q为电子的电荷量(16C)；V为结电压(太阳电池的输出电压)，稳定状态时等于负载电压(V)；A为二极管质量因子，其值在l2之间；K为波尔兹曼常数(138)；T 为绝对温度(K)。太阳电池的暗特性与PN结的整流特性相同，如图2-1(a)所示，照明时暗特性曲线下移，成为明特性曲线，如图2-1(b)所示，由于这时太阳电池特性曲线是在第四象限，与习惯上不同，所以改变电流的参考正方向，以坐标的负方向为正参考方向，即得到通常所见的太阳电池I-V特性曲线，如图2-2所示。（a）整流

29、特性（暗特性） （b）明特性 图2-1 PN结特性 图2-2 太阳电池I-V特性曲线2.1.1 太阳电池的等效电路太阳电池与一般的硅太阳电池的等效电路原理是一致的，都可用二极管D、恒流源、结电容、串联电阻与并联电阻组成的电路来表示，当太阳电池接上负载并接受光照时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压V6。把太阳电池看成能稳定产生光电流的恒流源(在实验中必须保证光源稳定)，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及并联电阻 (也称跨导电阻)。显然，恒流源分流为二极管的正向电流如公式（2-1）和旁路电流，以及经过串联电阻和负载的电流。太阳电池负载电压V、结电流、负载电流的大小都与负载电阻有关，但

30、并不是唯一的决定因素。并且在大多数情况下，太阳电池的等效电路都不考虑结电容的影响7，在不考虑结电容的情况下，其直流简化等效电路图如2-3所示。图2-3 太阳能光电池的直流简化等效电路为低阻值，小于1 欧姆；而为高阻值，约几千欧姆。显然，由图可得负载电流4为： （2-2）其中：为太阳电池的输出电流；为太阳电池输出电压；为太阳电池在光照下产生的恒流电流；为太阳电池反向饱和电流(暗电流)；为单位电荷；A为二极管曲线因子；K为普朗克常量；T为太阳电池PN结的绝对温度；为等效串联电阻，其值在几十毫欧几百毫欧之间；为等效并联电阻，其值在几百欧几千欧；为负载电阻。一般的，故可以忽略的影响，将式2-2化简为：

31、 (2-3a) (2-3b)其中，为已知常数。当负载从0变化到无穷的时候，就可以根据上式画出太阳电池的负载特性曲线，即伏安特性曲线。曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，斜率为1/，工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。若改变负载电阻到达某一个特定值，此时曲线上得到一个点M，对应的工作电流与工作电压之积最大()，我们就称这点M为该薄膜太阳电池的最大功率点。其中，为最佳工作电流，为最佳工作电压,为最佳负载电阻，为最大输出功率，负载特性曲线如下图2-4所示。图2-4太阳电池负载特性曲线由式(2-1)可以得到太阳电池的暗电流。事实上，在不同的电压范围时，暗电流的决定因

32、素不同。高电压时，主要由电中型区的注入电流决定；低电压时，主要由空间电荷区的复合电流决定。为了尽可能减小数学模型与实际物理模型的偏差，可以综合考虑这两种情况，将暗电流表示成双指数的形式。这就是双指数太阳电池电路模型，如图2-5所示 图2-5 太阳电池双指数电路模型根据电路模型可以得到以下函数关系： (2-4)式中：和是电中性区的反向饱和电流和曲线因子；和是空间电荷区的反向饱和电流和曲线因子。太阳电池的双指数模型不仅考虑了和对太阳电池性能的影响，用指数的形式概括地表示了不同机制产生的暗电流，而且将不同电压范围内的暗电流决定因素也考虑在内，因而有更高的精度和使用价值。同时它也为I-V的曲线拟合提供

33、了更精确的数据模型。2.1.2 太阳电池参数的定义由伏安特性可以得到太阳电池几个重要参数2：（1）开路电压：负载开路是太阳电池两端的电压，即I = 0时的V 值；（2）短路电流：负载短路时太阳电池的输出电流；（3）最大输出功率：光强一定时，改变负载电阻大小，使I、V 乘积为最大的状态（最佳工作状态）下，太阳电池的输出功率；（4）最佳工作电压和电流：最佳工作状态下太阳电池输出的电压和电流；（5）填充因子FF ：太阳电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的百分比；式中为光电池在负载上的最大输出功率； FF表明光电池能够对外提供的最大输出功率的能力；（6）光电转换效率：太阳电池的最大输出功率与入

34、射到电池表面上的总辐射功率的百分比。显然，从以上的定义可以得出参数间有以下的简单关系： （2-5） （2-6） （2-7）其中为入射到太阳电池上的总功率。由各参数间的关系可知，特性优质的太阳电池就能获得较大的功率输出。2.2 太阳电池伏安特性曲线测量原理伏安特性是太阳电池最主要的特性，能直接反映出太阳电池的输出功率。在一定阳光照射下，这曲线完全由电池的PN结特性和电阻分散参数确定。2.2.1 伏安特性的一般测量方法伏安特性的一般测量采用的是二线制测试法，如图2-6示。设图中的电压表和电流表均为理想表，即电压表的内阻无穷大，电流表的内阻为零。在测试线路中，将测试导线电阻与各种其它电阻（如接地电阻

35、等）抽象成一个总的电阻，即两线的电阻分别为图中的与。图2-6中的电压表的读数U等于太阳电池输出电压减去电阻、的压降，即： (2-8)图2-6 伏安特性测试一般测试原理图改变可变电阻的阻值，就可以改变太阳电池两端的电压以及通过的电流。连续调节可变电阻的阻值，并对其电压、电流进行测量，即可绘出其伏安特性曲线。上述测试方法中用来测量电阻的电压表两端的电压不是真正的在电阻上的压降， 这就引入了系统误差，当， 与的大小接近时，这个误差是不可忽略的。电压表的读数U等于太阳电池输出电压减去电阻、的压降，即如公式(2-8)，当和的值与太阳电池端电压大小接近时，就引入了系统误差，并且这个误差是不可忽略的。因此，

36、本文采用了四线制测量方法。2.2.2 四线制测量原理在单体太阳电池测试中，一般单体太阳电池的工作电压只有00.8V，电流可达到5A 或以上，如果采用两线制测量的话，在电线上的压降较大，产生测量误差。为了消除引线电阻对测试的影响，被测太阳电池通过开尔文四线制方法连接到测试电路。根据理论推导及实验证明四线制测量可以大大减少引线压降对测试结果的影响9。根据上述分析，进行线路改造，得出图2-7所示的线路，这种方法就是开尔文四线制测量方法。 图2-7 四线制测量的原理四线制测量的主要方法就是将电压测量线路与电流测量线路分开，分别用两组导线完成。如图2-7所示, ， , ，与电流表组成一个测量电流的回路，

37、,与电压表组成测量电压的回路。因为电压表的内阻是无穷大，可以认为电压线上没有电流流过，即,上的压降为零，这样电压表上的读数就是太阳电池输出电压。又因为，和与电流表串联，所以电流表的读数就是流过电阻的电流即太阳电池的输出电流。这种测试方法就消除了由于引线电阻和接触电阻带来的系统误差。 为提高太阳电池的测试精度，在太阳电池的测试中，采用了该种测试方法，原理图如图2-8 所示。从图2-7中可以看出，采用四线制测量时，在与被测器件的连接点上电压线和电流线是连接在一起的，但在测试设备中是分离的，这就存在电压测量电路和电流测量电路不能共地的问题，这里我们采用差分放大器对电压信号进行放大来解决这个问题。在实

38、际测量中，将导线电阻、接触电阻等均抽象为电阻，和如图2-8所示。根据原理图，可以做如下分析: 图2-8 太阳电池四线制测量原理图差分放大器的输出为： （2-9）式中，为差分放大器AD620的增益。而在测试图中，为太阳电池两端的电压，它等于之差即： (2-10)在电压测试回路中，电流很小，、上的压降与相比可以忽略不计，即，代入式（2-9）式得： (2-11)上述公式可以证明：被测太阳电池的端电压是由AD620AN 直接测量的，与其它因素无关。10在电流测试回路中，、太阳电池、与补偿电源BT 组成测量回路，这时尽管电流线中的电流I 很大，使得和上的压降不可忽略，但是，在采样电阻R 上测得的电流与太

39、阳电池流过的电流一样的，不受电阻，的影响。2.2.3 电子负载测量方法测试系统在自动测量时要求系统能够自动调节负载电阻，以上是采用了一个滑线变阻器来自动调节负载电阻，由于滑线变阻器阻值的分辨力低，且阻值会因为接触不良或发热而变化。因此一般采用MOS管加补偿电源组成的电子负载来代替图2-2中的可变电阻。当MOS 管工作在不饱和区时，漏极与源极之间的I-V 特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻，伏安特性曲线的斜率基本取决于栅源电压，阻值可跨越3-5个数量级。因此，该区域又可称为可调电阻区。用MOS管做可变电阻具有工作速度快，可靠性好和控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低

40、，寿命长11，故其可作为理想的电阻负载器件，I-V 测量原理图如图2-9 所示。 图 2-9 电子负载法测I-V 特性曲线图中补偿电源BT的作用是补偿MOS管和采样电阻上的压降，并且补偿电源要大于MOS管的饱和压降加采样电阻上的压降。如果调节电子负载控制端，使得补偿电源的电压等于MOS 管和采样电阻上的压降，则太阳电池两端电压VT等于零，这时测得的电流为短路电流。当MOS管处于截至状态时，漏极和源极之间的漏电流只有A量级，对开路电压的测试几乎没有影响，可认为此状态下测得的电压即是开路电压Voc。用自动装置对电子负载控制极的电压进行控制，即可调节负载电流的大小，从而调节被测太阳电池端电压的大小，

41、使被测太阳电池工作在I-V曲线上的任何一点，并测出其对应的电流和电压值。这就是电子负载测量的基本原理。122.3 测试系统的总体结构设计该系统主要由太阳光模拟器、基于ATmegal6单片机的数据采集与控制单元和基于PC的数据处理等构成，其结构总图如图2-10所示。本测试系统必须采集太阳电池的电流、电压，太阳光模拟器的温度和光强等信号。测试系统也要实时显示太阳电池的I-V曲线及各个测试参数，并且要存储大量的测试数据等功能。根据以上要求，设计了基于ATmegal6单片机的下位机和上位PC机系统。单片机体积小，速度快,非常适合用于太阳电池和太阳光模拟器相关数据的采集。但是单片机在数据处理和人机交互方

42、面有着极大的缺陷，PC机则正好弥补了这种不足。基于以上原因本文设计了由上位机和下位机构成控制系统。他们之间则通过RS-232口进行串行数据传输。图2-10 太阳电池测试系统结构框图测量时，将主电路的测试探头跨接在太阳电池的正负极之间，电流、电压信号经过多级变换、程控放大等环节被送至数据采集控制单元中，在其内部完成AD转换、数据存储、数据处理等工作，最后经通讯接口送至上位机，显示太阳电池的I-V曲线、太阳电池的其它参数及太阳光模拟器的温度等数据处理结果及曲线图形。以上是太阳电池参数测试的一次完整过程。测试完成后，还需对测试数据进行必要的分析以确定测试的不确定度。下面分别介绍构成太阳电池测试系统的

43、四个重要部分：太阳光模拟器、测试系统的硬件设计、测试系统的软件设计和后期的数据分析。第三章 太阳光模拟器第三章 太阳光模拟器太阳光模拟技术是研究模拟太阳光辐照特性的一门专业技术，其中包括不同大气质量条件下的太阳光谱、太阳光总辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度等。太阳光模拟器是模拟太阳光谱和光强的一种光源设备，是太阳电池测试系统中不可或缺的一部分，是对太阳电池进行检测与标定的关键。使用太阳光模拟器能够克服由于太阳辐射不可预测的变化和局限性所造成的不便，可以在实验室内任意改变测试条件下反复对被测电池进行测试。采用氙灯作为太阳光模拟器的光源，是因为氙灯的辐照光谱与太阳光相近，并且氙灯可以在远离被测件

44、的时候仍能保证有效测试面积。3.1 常用的太阳光模拟器根据地面太阳电池测试标准，太阳光模拟器的光谱特性要接近于地面太阳光的光谱特性；在AMl.5条件下，辐照度要能达到1KW/；对太阳电池温度的影响要能控制在l13。通过对国内的宁波太阳电池厂、哈尔滨太阳电池厂、北京太阳能研究所、上海太阳能科技有限公司等使用的各种进口测试仪进行调查。目前，国内外使用的模拟器主要有稳态太阳光模拟器与脉冲太阳光模拟器，表3-1列出了稳态太阳光模拟器与脉冲太阳光模拟器的比较。表3-1太阳光模拟器性能比较序号比较项目稳态太阳光模拟器脉冲太阳光模拟器1模拟太阳光特性稳态暂稳态脉冲式2对测试板温度影响影响大，需温控系统影响小

45、，不需温控系统3对光源要求功率大，寿命长瞬时功率大、寿命长4光谱失配误差不容易选择光谱失配误差小的光源灯容易选择光谱失配误差小的光源灯5耗电量大小6光谱与电流的关系不密切密切7成本一般高一般低根据上述比较得出：稳态太阳光模拟器与脉冲太阳光模拟器的最大区别是稳态太阳光模拟器产生的温度对测试的影响大且耗电量高，虽然电路设计等方面，稳态太阳光模拟器有着较大的优势，但是庞大的温控系统加大了测试系统的体积及成本。通过对大量的资料进行分析以及实验，我们最终采用脉冲氙灯太阳光模拟器作为我们测试用的光源，在测试过程中通过标准太阳电池校正，将光强调整到标准光强。采用脉冲方式控制太阳光模拟器减少了温升，节约了耗电。3.2 衡量太阳光模拟器的主要技术指标衡量太阳光模拟器的主要技术指标是：辐照强度、辐照不均匀度、辐照不稳定度和光谱分布。太阳电池测试过程中，在有效测试平面内的各项技术指标达到要求的条件下，才能保证所测定的数据的准确性。3.2.1 辐照强度辐照强度是入射到单位表面积上的辐射功率（），公式为： （3-1）为总辐射通量，S 为受光面积。3.2.2 辐照不