0 引 言

太阳能作为一种清洁的可再生能源, 一直被人们寄予厚望以替代目前大量使用的化石能源, 解决化石能源造成的环境污染及其存量有限的问题, 因此, 太阳能电池的研究和制造一直是新能源领域的热点[1-3]。在研制、 生产等过程中需对太阳能电池的性能进行测试, 而其J-V(Current Density-Voltage)特性的测量无疑是各种表征手段中最直观、 有效且应用最广泛的一种方法[4,5]。通过测试J-V特性, 可得到太阳能电池的短路电流Isc、 开路电压Voc、 填充因子FF(Fill Factor)、 光电转换效率η、 最佳工作电流Jm、 最佳工作电压Vm、 最大功率Pm、 串联电阻Rs和并联电阻Rsh等参数, 这些参数的获取对太阳能电池的研究、 生产及应用必不可少[6-8]。

本次研究中对数据的统计学处理,均使用SPSS22.4.0软件,本文涉及到的计数资料,用率(%)表示,应用卡方检验法,涉及到的计量资料,用(±s)表示,应用t检验法。p<0.05,认为差异具有统计学意义。

目前市场上常见的太阳能电池J-V特性测试系统有Spire、Newport、Agilent和卓立汉光等公司生产的产品[9], 都是较大型的太阳能电池测试系统, 其整体功能全且性能较好, 具有较高的测试精度和良好的光源稳定性。但这类设备系统复杂, 价格昂贵, 只能对单个已封装好的器件进行测量, 并用光辐照计定时校准太阳模拟器的输出光强, 使用不方便。因此, 研发一种适用于一般实验室和生产现场应用的较简易、 价格较低且自动化程度高的太阳能电池J-V特性测试系统有重要的应用价值和推广意义。笔者采用氙灯作为太阳光模拟光源, 采用数字源表Keithley2400作为太阳能电池器件的电子负载, 并向太阳能电池施加外加电压, 同时测量太阳能电池的输出电流, 结合功率为500 W的短弧氙灯及其驱动电源, 通过上位计算机和自主设计的太阳能电池测试软件、 测试底座和相关硬件电路, 实现了一种具有光强校准功能的太阳能电池多器件的J-V特性自动测试系统。由于氙灯寿命一般为600～1 000 h, 因此笔者还设计了对氙灯工作时长计时的电路, 在氙灯工作时长到达其寿命时报警。该测试系统成本较低, 可根据不同的实验要求进行设计和改装, 具有一定的灵活性。

1 系统构成及其原理

笔者研制的太阳能电池多器件J-V特性自动测试系统的结构框图如图1所示, 其中主要包括上位PC机和太阳能电池J-V特性测试软件、 数字源表Keithley2400、 氙灯光源及其驱动电源、 多器件测试切换电路、 标准光电二极管和光源调光电路、 光源工作时长检测电路和多器件测试底座等部件。

  

图1 太阳能电池J-V特性测试系统的结构框图Fig.1 Structure diagram of the J-V measurement system for solar cells

设计的太阳能电池多器件J-V特性自动测试系统主要功能如下： 测试太阳能电池的J-V特性、 计算器件的短路电流Isc、 开路电压Voc、 填充因子FF、 光电转换效率η、 最大功率Pm等太阳能电池的参数； 为便于测量人员观察, 系统可实时在测量界面绘制出J-V曲线, 可保存和导出测试数据；系统同时可实现多个器件的自动测量, 提高测试速度； 系统还具有氙灯光强自动校准以及光源工作时长计算和超时报警功能。

由于该系统所采用的氙灯光源工作寿命为600 h, 因此采用普通硅光电二极管作为光源工作信号, 通过光源工作检测电路, 将光源工作的信号传输到上位PC机, 在测试软件对光源的工作时长进行计时。

笔者设计的太阳能电池J-V特性测试系统的程序流程如图2所示。

当氙灯开启光源工作检测电路输出高电平到单片机, 向上位PC机发送相应的信号, 测试软件开始计时； 当氙灯关闭, 光源工作检测电路输出低电平到单片机, 使测试软件停止计时, 并将计时结果保存在测试软件的界面上。当计时结果达到600 h后, 测试软件会弹出报警对话框, 提醒工作人员更换氙灯, 以保证测试工作有效精确地进行。

  

图2 太阳能电池J-V特性测试系统的程序流程图Fig.2 Flow chart of the program for the J-V measurement system for solar cells

程序启动后, 光源工作计时模块检测氙灯是否开启, 若开启则程序开始计时。随后, 校准氙灯光强, 为器件的测试提供100 mW/cm2标准测试光照。程序接到测试的指令后, 将测量测试底座上的待测器件接入数字源表Keithley2400进行J-V特性测试, 并处理测试得到的数据。

2 系统的硬件和软件构成

系统主要包括多器件自动测量、 光强自动校准和光源工作计时3个模块, 氙灯驱动电路可参考相关文献[10-13]。

2.1 多器件自动测量模块

图5所示电路中, 单片机发出的PWM波输入到I/O口, 经过滤波后, 通过运算放大器进行电压放大3.4倍, 然后通过三极管输出。单片机输出的PWM波和其经过调光电路后的输出电压关系如图6所示。该模块的程序流程如图7所示。

多器件自动测量切换电路由8052单片机电路和10个继电器组成, 继电器与测试底座上的测试触点通过导线对应连接, 单片机根据上位PC机发送的指令, 使相应的继电器与电源接通, 对测试底座上的太阳能电池进行测量。多器件测量切换电路的功能框图如图4所示。

  

图3 多器件自动测量的程序流程图 图4 多器件测量切换电路的功能框图 Fig.3 Flow chart of the program for multi-sample automatic measurement Fig.4 The functional diagram of the switching circuit of multi-sample measurement

2.2 光强自动校准模块

在太阳能电池器件的测试中, 氙灯光源需提供100 mW/cm2的标准模拟太阳光照, 在现有的测试系统中, 一般采用辐照计对氙灯光源进行手动校准。但这种校准方式存在以下问题： 1) 氙灯工作一段时间后, 其光强会有一定程度的衰减, 如不及时校准氙灯光强, 会对器件的测试结果有影响； 2) 调节过程不方便且精度不高。

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光强自动校准模块采用单片机Stm32F103输出一个PWM(Pulse Width Modulation)波到调光电路, 以控制氙灯的驱动电流。当滨松硅光电二极管测得模拟太阳光电流并输入到上位PC机, 测试软件判断其误差大小, 并通过单片机Stm32F103输出相应的PWM波(占空比0～100%, 10 kHz), 经图5所示的调光电路后, 产生0～10 V的直流电压, 输出到氙灯电源的调光控制接口, 调节氙灯的工作电流, 进而校准氙灯的光强。

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为提高氙灯光源的光照精度和测试效率, 系统中采用经过校准的标准光电二极管(滨松S1133-01)在100 mW/cm2光照下的短路电流ISC作为校准参数。为此, 多次测量了滨松硅光电二极管在100 mW/cm2下的短路电流, 其中最大值Imax=2.041 mA, 最小值Imin=2.027 mA, 平均值为2.036 mA, 因此, 将光照调节标准设置为2.027～2.041 mA, 其误差约为0.44%。

多器件自动测量模块的程序流程图如图3所示。当测试开始时, 太阳能电池J-V特性测试软件通过RS232串口将相关的测试参数设置发送到数字源表Keithley2400, 并将器件的测试要求通过RS232串口发送到多器件测量切换电路, 该电路通过继电器控制测试底座上的触点的接通与断开, 切换各待测的器件。数字源表Keithley2400在每个器件测量结束后将测量结果发送到测试软件中进行处理和保存。

  

图5 PWM波到调光电压转换电路 图6 PWM波占空比与调光电压输出电路VO的关系曲线Fig.5 PWM wave to dimming voltage conversion circuit schematic Fig.6 Impact of PWM duty ratio on the output voltage of the dimming voltage conversion circuit

  

图7 氙灯光强自动校准程序流程图Fig.7 Flow chart of the program for xenon light intensity auto-calibration

打开氙灯光源后, 光强自动校准程序开始运行, 通过单片机及调光电路输出5 V直流电压到氙灯的调光控制接口, 此时, PC端测试软件结合滨松硅光电二极管在当前光强下的短路电流ISC, 将其与在标准光照下的短路电流范围(Imin,Imax)进行比较。若ISC>Imax, 则增大调光电压, 使氙灯电源输出电流减小; 若ISC<Imin, 则减小调光电压, 增大氙灯电源的输出电流。当ISC处于设定的100 mW/cm2光照下的短路电流范围内时, 光强校准完成。

2.3 光源工作时长计时模块

测试系统中, 采用数字源表Keithley2400作为太阳能电池的外加可变电子负载, 施加可按设定步长变化的外加电压, 同时测量在标准太阳光照射下太阳能电池产生的光生电流； 氙灯作为太阳光模拟光源, 其驱动电路在调光电路的作用下可以调节氙灯工作电流, 以调节输出光强, 系统中采用经过校准的高精度滨松光电二极管(型号S1133-01)测量氙灯光强, 每次开机都对光强进行测量和调节, 该电流也通过数字源表Keithley2400测量并传送到测试软件； 上位PC机及其测量程序分别通过RS232接口和USB口连接数字源表Keithley2400与氙灯调光电路, 控制J-V特性的测量过程和实现氙灯光强调节, 并处理J-V曲线的相关测试数据。PC机测量程序还控制多器件测试切换模块完成不同器件的切换, 同时系统中加入了硅光电二极管构成的氙灯工作检测和计时电路模块, 以检测氙灯的实际工作时长。由于氙灯的工作时间超过额定的时间后, 其光强、 稳定性和均匀度都将大幅下降, 必须更换新的氙灯以保证测量的可靠性。

光源工作检测电路如图8所示。感光元件硅光电二极管的信号放大33.3倍后输入到比较器, Vref设定为5 V。当氙灯开启时Vo=6.09 V, 比较器输出高电平到单片机； 当氙灯关闭时Vo=2.20 V, 比较器输出低电平。氙灯工作时长计时模块的程序流程图如图9所示。

1.3 统计学分析 运用统计软件SPSS 19.0对数据进行统计学分析，基因位点基因型和等位基因频率的组间比较采用χ2检验，血清标志物的组间比较采用独立样本t检验，采用Logistic回归分析进行唐氏综合征风险的分析，P<0.05为差异有统计学意义。

根据多年的经验，无痛分手的最高境界，就是两个人都移情别恋，巴不得早点分道扬镳，好过上自己向往的新生活，可谓兵不血刃、皆大欢喜。

  

图8 光源工作检测电路原理图 图9 氙灯工作时长计时功能的程序流程 Fig.8 The schematic diagram of light source monitoring circuit Fig.9 Flow chart of the program for recording of xenon lamp working time

3 实验结果

3.1 光强校准模块的实验结果

分别选取104.4、 95.6和103.2 mW/cm2作为氙灯的初始光强进行校准, 校准后实验结果如表1所示。经过氙灯光强自动校准, 可将光强由104.4 mW/cm2,95.6 mW/cm2,103.2 mW/cm2的辐照度调节至100 mW/cm2左右, 校准后的误差范围小于1%, 满足实验要求。

 

表1 光强自动校准的实验结果

 

Tab.1 Results of xenon lamp irradiance auto-calibration

  

校准前的辐照度/(mW·cm-2)104.495.6103.2校准后的辐照度/(mW·cm-2)100.299.5100.6

3.2 多器件自动测量结果及分析

测试软件采用Visual Basic语言编写, 界面包括以下内容： 测试参数设置、 多器件自动测试控制、 测量结果显示、 J-V曲线显示、 光源工作时长显示和测试结果保存。测试软件界面如图10所示。

实验测量采用一种有机薄膜太阳能电池, 如图11所示。该器件的结构为ITO/ZnO/P3HT:PC71BM/MoO3/Ag。光从透明的阴极照入, 采用氧化锌等作为电子传输层修饰透明阴极, Ag作为阳极收集空穴, MoO3作为阳极缓冲层, P3HT∶PC71BM作为有源层[14,15]。

本实验室就一定程度地存在着文件写归写、做归做，文件规定与实际做法“两张皮”的现象。做事不是按文件而是凭经验，按别人的说法、做法，没有根据法律法规、准则、标准及实际情况等内外部环境的变化而及时更新文件。还存在着文件和公文两套体系，同一项工作要求在文件和公文中均作出规定、或先后作出规定。岂不知，及时更新的有效文件，不但满足了内外部的要求，且为各级管理者审批、发布而具体实行。文件执行不到位的原因：一是人员的质量意识不强，没有树立执行文件的意识；二是流程不完善，执行文件没有很好的途径；三是监督不到位或监督机制不完善，执行文件没有约束力。

  

图10 太阳能电池J-V特性测试软件界面 图11 用于测量的有机太阳能电池的结构 Fig.10 The interface of the solar cell test software Fig.11 The device structure of the organic solar cell to be measure

图10所示的太阳能电池J-V特性测试软件界面中, 点击“auto”按钮后, 多器件自动测量模块从第1个器件开始测试, 测得数据后的软件界面如图12所示。

由图12可知, 该器件的短路电流密度Jsc=10.04 mA/cm2, 实验用单元器件的面积为4 mm2, 开路电压Voc=0.6 V, 填充因子FF=0.466, 最大功率Pm=0.116 mW, 光电转换效率η=3.9%。在图12中软件界面的上方显示光源的工作时长累计为12 h 20 min 45 s。

酒堡如城堡，城墙上头屹立高大的杜康塑像，酒神举杯遥寄苍天，俨然一个升帐点兵的酒元帅。而兵马则是城墙下、酒堡周遭一排排一列列井然有序的酒坛子。坛颈封口的红布和坛肚子上菱形的酒字帖，恰似将士威武的盔甲。不见杀气腾腾，但闻酒香氤氲。

  

图12 多器件自动测量的实验结果Fig.12 The result of multi-sample automatic measurement

4 结 语

笔者设计了一种具有光强校准功能的太阳能电池多器件自动测试系统, 系统由上位PC机及其测试软件、 数字源表Keithley2400、 输出功率为500 W的氙灯光源及其驱动电源、 多器件自动测量电路、 自动调光电路和光源工作时间测量电路等模块构成。上位机测试软件采用Visual Basic语言编写, 并能依据在标准光电二极管测得的光电流, 通过单片机控制的调光电路实现氙灯光强的自动校准；同时测试软件通过数字源表Keithley2400和多器件自动测量电路测得各器件的J-V特性, 并计算器件的效率等参数； 测试软件可对光源工作时长进行计时, 并在达到光源的额定时长时发出报警信号。测试结果表明该系统达到了既定的设计目标, 且成本较低、 自动化程度较高, 便于实验室对光伏器件的测试, 也可用于生产现场测试等场所。

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