CN1314973C

CN1314973C - 单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪

Info

Publication number: CN1314973C
Application number: CNB2003101081031A
Authority: CN
Inventors: 徐林
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: CN1538187A

Abstract

一种单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，模拟光源设计成双脉冲氙灯并联的形式，并联后接到主电源的输出线路上，每个脉冲氙灯都与各自的大电流预燃电路相连，大电流预燃电路同主电源之间用二极管隔开，在连接脉冲氙灯的主电源的输出导线上增加回环线圈，在脉冲氙灯两端并联的一个电容与回环线圈串联，采用扫描电压从被测组件开路电压开始以逐渐递减的方式扫描。本发明能克服薄膜电池的电容对测试结果的影响，改善脉冲氙灯发光光谱。

Description

单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪

技术领域：

本发明涉及一种薄膜太阳电池组件测试仪，尤其涉及一种单次闪光大面积薄膜太阳电池组件测试仪，能测定薄膜太阳电池的伏安特性，并进而求出各种电性能参数，属于太阳电池测试技术领域。

技术背景：

单次闪光脉冲式太阳电池组件测试仪的发光波形需要在发光期间有一段平坦的准连续模拟光，常规的单次闪光脉冲式太阳电池组件测试仪一般采用具有LC网络放电功能的主电源来为脉冲氙灯供电，但是由于LC网络与脉冲氙灯阻抗匹配很难保证良好，因此发光波形常常会出现过放和光强下降太快的问题，对太阳电池的准确测试非常不利。

脉冲式太阳电池组件测试仪的发光光谱一般与标准太阳电池光谱分布差距较远，常规太阳电池组件测试仪都采用光谱矫正的方式改善测试仪的光谱分布以满足标准太阳光谱分布，但是这种光谱矫正的方法是在牺牲测试仪光源光强的基础上获得测试仪的标准光谱分布的，而且进行光谱矫正需要特定的光谱矫正滤光片，滤光片一般是多层镀膜的，多层膜的寿命一般都很短，制造成本比较高，太阳电池组件测试仪的光斑一般很大，需要的滤光片口径很大，这都增加了测试仪的技术难度和商业成本。

常规晶体硅太阳电池组件的测试一般是使用脉冲式太阳电池测试仪或脉冲式太阳模拟器，脉冲式太阳电池组件测试仪又分为多次闪光测试和单次闪光测试，特别是后者单次闪光的组件测试仪由于其测试速率高，适于快速测量和自动测量，因而具有较好的技术优势，但是，现有的薄膜太阳电池(例如非晶硅薄膜太阳电池)却不能被该种脉冲式组件测试仪测量，主要因为薄膜太阳电池的少子寿命比常规晶体硅太阳电池的少子寿命小，脉冲光脉宽太小，脉冲光激发的少数载流子会随激发脉冲光的消失而很快通过表面复合和体复合而消失，不能充分经连接导线把载流子输送出来，这样测量结果比正常稳态光下的测量结果要小，特别是薄膜电池的面积越大，输出电流越大，这种测量结果的差别越大，从太阳电池等效电路的角度看，造成这种结果的原因是薄膜太阳电池的等效电容的影响。常规的脉冲式太阳电池组件测试仪没有考虑到薄膜太阳电池的电容效应，因而都不能用于薄膜太阳电池组件的测试。对比技术Spectrum LAB公司的LAPSS-II。

当主电源的LC网络放电回路与所供电的脉冲氙灯阻抗匹配时，脉冲氙灯发出的光才是接近方波的，阻抗匹配条件是

R_{0} = \sqrt{\frac{L}{C}},

该条件要求LC网络的电感和电容的比值的开方要与脉冲氙灯的阻抗相等，由于管状氙灯的特性阻抗与其极间距成正比，在使用管状氙灯作光源的太阳组件测试仪中，电感需要很大，但是一般电感很难做大，电感大就意味着体积大，重量大，这对减少测试仪体积，减轻测试仪重量不利。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，克服薄膜电池的电容对测试结果的影响，阻止放电电流的快速增加，改善脉冲氙灯发光光谱。

为了实现这样的目的，本发明的技术方案中，在连接脉冲氙灯的主电源的输出导线上设计了回环线圈，并在脉冲氙灯的两端并联一定容量的电容，该电容与回环线圈串联，电容量计算办法：

C = \frac{L}{R_{0}^{2}}

(其中C为电容，L为回环线圈的电感，R₀为氙灯的特性阻抗。回环线圈的电感和并联电容一方面能减少过放的程度，另一方面又能起到储能作用，减小光强下降的速率。同时，这样就能改善测试仪的模拟器的发光波形。

本发明为了解决常规太阳电池测试仪采用镀膜滤光片进行光谱矫正带来的技术和成本负担，设计了专门的大电流预燃电路，该电路同脉冲氙灯准连续光发生电源的输出导线并联，同时为脉冲氙灯供电，大电流的预燃电路使氙灯起辉，准连续光发生电源使氙灯发出极强的脉冲方波光。大电流的预燃电路使氙灯管里的惰性气体呈高温等离子体状态，一旦大于预燃氙灯的端电压加到氙灯两端，同时高压触发，就会发出强光，高温等离子体状态的浓度越高，离子复合和韧致辐射的连续光谱就越强，原子能级跃迁为特征的线光谱就越弱，这样整体光谱就越符合太阳光谱的标准AM1.5。

本发明为了克服在脉冲式太阳电池测试仪中被测薄膜太阳电池组件的电容效应对测试结果的影响，设计了一种逐渐递减的扫描电压施加方法，施加到被测太阳电池上的扫描电压从高于被测太阳电池组件的开路电压开始按一定的步数逐渐递减到零，在这个过程中被测电池最开始的输出电流为零，随着扫描电压的逐渐递减，被测组件的输出电流逐渐增加，最后达到最大值—短路电流，这样，就可以避免常规的从零逐步增加的扫描电压施加方法造成被测组件一开始就需达到短路电流的问题，从而有效解决太阳电池的电容效应对测试结果的影响。

本发明为了减少太阳电池测试仪对主电源的LC网络放电回路中电感的电感量的需要，设计的并联双氙灯的方式，主电源为并联的双氙灯供电，从而减少电感L，适当增加电容C，可以减少太阳电池组件测试仪的主电源的体积和重量。

为满足薄膜太阳电池组件测试的响应速度慢的要求，要尽量拉长放电的时间，而且要保证在一段时间(例如10ms)内放电电流恒定，为此本发明在电源输出的主导线上增加回环，该回环一圈一圈盘好，大电流流过回环，会在回环内形成涡流，涡流会阻止电流的增加，从而有助于让放电电流在一定的时间内保持一个恒定值，这样，氙灯的放电强度和发光强度也会形成一个恒定值，从而满足薄膜电池测试的要求。

附图说明：

图1为本发明脉冲氙灯主电源的输出主导线与脉冲氙灯连接图。

如图1所示，脉冲氙灯主电源的输出主导线上连接一套回环线圈，脉冲氙灯的两端并联一个电容。

图2为主导线上回环线圈的结构示意图。

图2中，1为空心瓷筒，2为引线，3为回环线圈。

图3为本发明的大电流预燃电路框图。

图4为本发明并联的双氙灯与主电源连接关系示意图。

图5为本发明在主电源输出导线增加回环后模拟器输出的脉冲方波光。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

本发明在连接脉冲氙灯的主电源的输出导线上设计了回环线圈，并在脉冲氙灯的两端并联一定容量的电容，如图1所示。与脉冲氙灯并联的电容与回环线圈串联，电容量

C = \frac{L}{R_{0}^{2}},

其中L为回环线圈的电感，R₀为氙灯的特性阻抗。

主导线上回环线圈的结构如图2所示。主导线回环线圈3是16mm²的单股紫铜导线，一圈一圈绕在空心瓷筒1上，空心瓷筒的直径可以根据所需的感抗大小来计算，如果脉冲氙灯的光强下降的速率大，就采用大直径的瓷筒，引线2与脉冲氙灯及与脉冲氙灯并联的电容连接，主导线回环线圈与电容要匹配。

当采用主导线回环线圈加电容匹配的办法还不能使脉冲氙灯发出的光波形很方时，可以适当增加或减少主导线回环线圈的圈数，以克服线圈电阻对阻抗匹配的影响。

本发明的大电流预燃电路使脉冲氙灯在闪光前处于深度预燃状态，以利于氙灯发光光谱的改善，按照氙灯发光特性，当氙灯的电流密度到1700A/cm²时，脉冲氙灯的发光光谱才与太阳光谱几乎一致，色温才能达到太阳光色温的6000度，本发明的大电流预燃电路使氙灯长时间处于深度预燃状态，氙灯内等离子等温度很高，氙灯的特性阻抗比一般预燃状态的特性阻抗小很多，管压降也小很多，这样就能保证在比较小的放电电压下氙灯放电时，电流密度就能达到1700A/cm²，本发明设计的大电流预燃电路框图如图3所示。

大电流预燃电路中，交流升压变压器的输出经整流电路连接加法电路，交流隔离变压器的输出也连接到加法电路，加法电路的输出经限流电路连接到脉冲氙灯放电端，高压触发电路的输入端分别连接交流隔离变压器和限流电路，输出连接脉冲氙灯。

220V交流通过交流升压变压器(升压比1∶4.5)变成900V高压交流，经整流电路整流成1500V直流，同时220V交流经交流变压器(升压比1∶1)隔离后的交流与1500V直流在加法电路相加，这样加法电路出来的电压峰值为1900V，该交直流电压经限流电路加到脉冲氙灯放电端上，高压触发电路从限流电路检取高电压(峰值电压1900V)，从交流变压器出来的电压中检取峰值相位，当外触发产生触发脉冲时，高压触发电路中的时序电路把峰值电压1900V在峰值相位时升压成30000V以上的高压，去触发脉冲氙灯，加法电路和限流电路使脉冲氙灯处于深度预燃状态。

本发明的太阳电池组件测试仪的模拟光源设计成双脉冲氙灯并联的形式，并联后接到主电源的输出线路上，每个脉冲氙灯都与各自的大电流预燃电路相连，大电流预燃电路同主电源之间用二极管隔开，如图4所示：两个并联的脉冲氙灯的负极共同接到两个大电流预燃电路的负极以及主电源输出的负极，两个脉冲氙灯的正极相连，并分别通过一个二级管接到各自的大电流预燃电路的正极，同时通过一个二极管与主电源的正极相连。

在单次闪光的准连续的模拟器中测量太阳电池，很容易忽略太阳电池组件的电容效应，但是该电容效应对测试结果却是有影响的，单次闪光的准连续模拟光脉冲时间越短，电容效应的影响也就越大，最终表现为太阳电池的电流响应速度不够高，特别是薄膜太阳电池组件，短路电流大，电容也大，电流响应速度相对脉冲光的脉宽来说就显得很慢，按照常规的太阳电池测试仪的测试方法就不能测试薄膜太阳电池。

本发明为了克服电容效应对测试结果的影响，设计了一种逐渐递减的扫描电压施加方法，其步骤如下：

首先，设定一个大于被测太阳电池组件开路电压的扫描电压，施加到被测太阳电池组件上，被测太阳电池组件的电流输出为零或负值，然后逐步减少扫描电压，当扫描电压减少到被测太阳电池组件的开路电压后，被测太阳电池组件的输出电流由零开始增加，随着扫描电压逐步减少到零，被测太阳电池组件的输出电流增加到短路电流，这样，扫描电压从被测组件开路电压开始逐渐递减的方式扫描，就可以避免常规的从零逐步增加的扫描电压施加方法造成被测组件一开始就需达到短路电流的问题，从而有效解决太阳电池的电容效应对测试结果的影响。

Claims

1、一种单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，包括电源系统、光路系统及计算机测控系统，其特征在于模拟光源采用双脉冲氙灯并联方式，两个脉冲氙灯的负极共同接到两个大电流预燃电路的负极以及主电源输出的负极，两个脉冲氙灯的正极相连，并分别通过一个二级管接到各自的大电流预燃电路的正极，同时通过一个二极管与主电源的正极相连，在连接脉冲氙灯的主电源的输出导线上增加回环线圈，在脉冲氙灯两端并联的一个电容与回环线圈串联，电容量

C = \frac{L}{R_{0}^{2}},

其中L为回环线圈的电感，R₀为氙灯的特性阻抗，被测太阳电池上的扫描电压采用从被测组件开路电压开始逐渐递减的施加方式。

2、如权利要求1的单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，其特征在于所述的回环线圈是16mm²的单股紫铜导线，一圈一圈绕在空心瓷筒上，其引线与氙灯并联电容和脉冲氙灯连接。

3、如权利要求1的单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，其特征在于所述大电流预燃电路中，交流升压变压器的输出经整流电路连接加法电路，交流隔离变压器的输出也连接到加法电路，加法电路的输出经限流电路连接到脉冲氙灯放电端，高压触发电路的输入端分别连接交流隔离变压器和限流电路，从限流电路检取高电压，从交流隔离变压器出来的电压中检取峰值相位，其输出连接脉冲氙灯，通过高压触发电路中的时序电路把峰值电压在峰值相位时升压去触发脉冲氙灯，加法电路和限流电路使脉冲氙灯处于深度预燃状态。

4、如权利要求1的单次闪光薄膜太阳电池组件测试仪，其特征在于所述的扫描电压施加方式为：首先设定一个大于被测太阳电池组件开路电压的扫描电压，施加到被测太阳电池组件上，被测太阳电池组件的电流输出为零或负值，然后逐步减少扫描电压，当扫描电压减少到被测太阳电池组件的开路电压后，被测太阳电池组件的输出电流由零开始增加，随着扫描电压逐步减少到零，被测太阳电池组件的输出电流增加到短路电流，以解决太阳电池的电容效应对测试结果的影响。