鉅大LARGE | 點擊量：950次 | 2021年04月28日
光伏鋰電池電氣性能的評測
來自于日光的電能是真正“綠色”和廉價的能源，但是要基于光伏（pV）電池和存儲設(shè)備（例如電池）的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。pV或太陽能電池在戶外照明領(lǐng)域，甚至在全家用和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛；它們可以采用與半導(dǎo)體器件制造相同的工藝進行制作。太陽能電池的功能非常簡單：吸收太陽光的光子并釋放出電子。當在太陽能電池上連接負載時，就會出現(xiàn)電流。
pV電池和材料的電氣特點分析要進行多種電氣測量。這些測試工作可以在研發(fā)過程中在電池上進行，也可以作為電池制造工藝的組成部分。這些測試包括電流與電壓關(guān)系（I-V）、電容與電壓關(guān)系（C-V）、電容與頻率關(guān)系（C-f）和脈沖I-V測試等。利用這些電氣測試結(jié)果可以提取出很多常用的參數(shù)，例如輸出電流、最大輸出功率、摻雜密度、轉(zhuǎn)換效率、電阻率和霍爾電壓。
pV電池采用各種吸光材料制作，包括結(jié)晶和非晶硅，碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒化物（CIGS）材料制成的薄膜，以及有機/聚合物類的材料。
pV電池的等效電路模型（如圖1所示）能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想pV電池的模型可以表示為一個感光電流源并聯(lián)一個二極管。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。假如光子的能量高于電池材料的能帶，那么電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中。假如將一個外部負載連接到pV電池的輸出端，那么就會出現(xiàn)電流。
pV電池/光子hυ/負載
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1.由一個串聯(lián)電阻（RS）和一個分流電阻（rsh）和一個光驅(qū)電流源構(gòu)成的光伏電池等效電路。
由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點中存在材料缺陷和歐姆損耗，pV電池模型必須分別用串聯(lián)電阻（RS）和分流電阻（rsh）表示這些損耗。串聯(lián)電阻是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為它限制了pV電池的最大可用功率（pMAX）和短路電流（ISC）。
pV電池的串聯(lián)電阻（rs）與電池上的金屬觸點電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜志濃度和結(jié)深有關(guān)。在理想情況下，串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。分流電阻表示由于沿電池邊緣的表面漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下，分流電阻應(yīng)該為無窮大。
要提取光伏電池的重要測試參數(shù)，要進行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。
直流電流-電壓（I-V）測量（供應(yīng)V測量I）
可以利用直流I-V曲線圖對pV電池進行評測，I-V圖通常表示太陽能電池出現(xiàn)的電流與電壓的函數(shù)關(guān)系（如圖2所示）。電池能夠出現(xiàn)的最大功率（pMAX）出現(xiàn)在最大電流（IMAX）和電壓（VMAX）點，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠出現(xiàn)的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具（例如安培計和電壓源），或者集成了電源和測量功能的儀器（例如數(shù)字源表或者源測量單元SMU），生成這種I-V曲線圖。為了適應(yīng)這類應(yīng)用的需求，測試設(shè)備必須能夠在pV電池測量可用的量程范圍內(nèi)供應(yīng)電壓源并吸收電流，同時，供應(yīng)分析功能以準確測量電流和電壓。簡化的測量配置如圖2所示。
電池電流（mA）/最大功率面積/電池電壓
圖2.該曲線給出了pV電池的典型正偏特性，其中最大功率（pMAX）出現(xiàn)在最大電流（IMAX）和最大電壓（VMAX）的交叉點。
太陽能電池
圖3.對太陽能電池進行I-V曲線測量的典型系統(tǒng)，由一個電流源和一個伏特計組成。
測量系統(tǒng)應(yīng)該支持四線測量模式。采用四線測量技術(shù)能夠解決引線電阻影響測量精度的問題。例如，可以用其中一對測試引線供應(yīng)電壓源，用另一對引線測量流過電池的電流。重要的是要把測試引線放在距離電池盡可能近一些的地方。
圖4給出了利用SMU測出的一種被照射的硅太陽能電池的真實直流I-V曲線。由于SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，并且支持器件析出功率。
圖4.正偏（被照射的）pV電池的這種典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。
其它一些可以從pV電池直流I-V曲線中得出的數(shù)據(jù)表征了它的總體效率——將光能轉(zhuǎn)換為電能的好快程度——可以用一些參數(shù)來含義，包括它的能量轉(zhuǎn)換效率、最大功率性能和填充因數(shù)。最大功率點是最大電池電流和電壓的乘積，這個位置的電池輸出功率是最大的。
填充因數(shù)（FF）是將pV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進行比較的一種方式。理想情況下，它應(yīng)該等于1，但在實際的pV電池中，它一般是小于1的。它實際上等于太陽能電池出現(xiàn)的最大功率（pMAX=IMAXVMAX）除以理想pV電池出現(xiàn)的功率。填充因數(shù)含義如下：
FF=IMAXVMAX/(ISCVOC)
其中IMAX=最大輸出功率時的電流，VMAX=最大輸出功率時的電壓，ISC=短路電流，VOC=開路電壓。
轉(zhuǎn)換效率是光伏電池最大輸出功率（pMAX）與輸入功率（pIN）的比值，即：
h=pMAX/pIN
pV電池的I-V測量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）兩種情況下進行。正偏測量是在pV電池照明受控的情況下進行的，光照能量表示電池的輸入功率。用一段加載電壓掃描電池，并測量電池出現(xiàn)的電流。一般情況下，加載到pV電池上的電壓可以從0V到該電池的開路電壓（VOC）進行掃描。在0V下，電流應(yīng)該等于短路電流（ISC）。當電壓為VOC時，電流應(yīng)該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等于負載電流（IL）。pV電池的串聯(lián)電阻（rs）可以從至少兩條在不同光強下測量的正偏I-V曲線中得出。光強的大小并不重要，因為它是電壓變化與電流變化的比值，即曲線的斜率，就一切情況而論這才是有意義的。記住，曲線的斜率從開始到最后變化很大，我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線的遠正偏區(qū)域（far-forwardregion），這時曲線開始表現(xiàn)出線性特點。在這一點，電流變化的倒數(shù)與電壓的函數(shù)關(guān)系就得出串聯(lián)電阻的值：
rs=ΔV/ΔI
到目前為止本文所討論的測量都是對暴露在發(fā)光輸出功率下，即處于正偏條件下的pV電池進行的測量。但是pV器件的某些特點，例如分流電阻（rsh）和漏電流，恰恰是在pV電池避光即工作在反偏情況下得到的。關(guān)于這些I-V曲線，測量是在暗室中進行的，從起始電壓為0V到pV電池開始擊穿的點，測量輸出電流并繪制其與加載電壓的關(guān)系曲線。利用pV電池反偏I-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大?。ㄈ鐖D5所示）。從該曲線的線性區(qū)，可以按下列公式計算出分流電阻：
rsh=ΔVReverseBias/ΔIReverseBias
V反偏/用于估算rsh的線性區(qū)/ΔI反偏/ΔV反偏/logI反偏
圖5.利用pV電池反偏I-V曲線的斜率可以得到pV電池的分流電阻。
除了在沒有任何光源的情況下進行這些測量之外，我們還應(yīng)該對pV電池進行正確地屏蔽，并在測試配置中使用低噪聲線纜。
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