利用2450型触摸屏数字源表, 实现太阳能电池I-V特性分析

利用2450型触摸屏数字源表, 实现太阳能电池I-V特性分析

概述

 

太阳能电池或光伏(PV)电池是从光源中吸收光子然后释放电子的器件,当太阳能电池与负载相连时,可以引起电流流动。太阳电池研究人员和制造商努力实现尽可能高的效率, 同时损失最小。

 

因此,太阳能电池与光伏材料的电气特性成 为研究开发和制造过程中的一部分。对太阳能电池进行电流-电压(I-V)特性分析对推导有关其性能的重要参数至关重要,

包括最大电流(Imax)和电(Vmax)、开路电压(Voc)、短路电流(I )以及效率(η)。

 

利用吉时利2450型触摸屏数字源表,可以轻松生成这些I-V特性,该仪器可以提供电流和电压源和测量。由于2450仪器具有4象限源能力,它可以吸收高达1.05A @ 21V的电池电流作为施加电压

的函数。本应用笔记说明怎样利用2450型触摸屏数字源表来简化太阳能电池的I-V特性分析,如图1所示。特别是,本应用笔记介绍了怎样通过仪器前面板进行I-V 测试,包括怎样生成图表,以及

将数据保存至USB闪存。应用笔记还详细说明了怎样通过总线实现测量自动化。

 吉时利2450型触摸屏数字源表


图1 2450型触摸屏数字源表与太阳能电池的连接

 

太阳能电池

   图2给出太阳能电池的等效电路模型,它由光感应电流源(I )、生成饱和电流的二极管 [IS(eqV/kT–1)]、串联电阻(r )以及分流电阻(rsh)组成。

串联电阻源自金属接触电阻、电池前面板的欧姆损耗、杂质浓度和结深。串联电阻是一个重要参数,因为它降低了电池的短路电流和最大输

出功率。从理想角度看,串联电阻应当是零欧姆。分流电阻表示沿电池边缘的表面泄漏或晶体缺陷引起的损耗。从理想角度看,分流电阻应

当无穷大。

 

图2 光伏电池的理想等效电路

如果负载电阻(RL)与照明太阳能电池相连,那么总电流变成:

I = I(eqV/kT – 1) – IL

其中,I二极管饱和电流

I光生电流

有几个参数用来描述太阳能电池的效率,包括最大功率点(Pmax)、短路电流(Isc)和开路电压(Voc)图3说明这些参数点,这是照明太阳能电池的

典型正向偏压I-V曲线。最大功率点(Pmax)是电池最大电流(Imax)与电压(Vmax)的乘积,电池在此处的功率输出最大。这一点位于曲线的“拐点”。

图3 太阳能电池的典型正向偏压I-V特性

2450型仪器作为电子负载

图4所示,当负载与照明太阳能电池的输出相连时,电流将流动。当照明太阳能电池与2450型仪器的输出端相连时,该数字源表源测量单元(SMU

仪器将吸入电流。换句话说, 2450型仪器将成为负载。因此,测量的电流式负值。

 

图4 与照明太阳能电池连接时,2450型仪器将作为电子负载

2450型仪器与太阳能电池连接

图5给出太阳能电池与2450型仪器的连接。这里采用4线连接,以消除引线电阻的影响。当引线与太阳能电池连接时,注意:Force LOSense LO端与电

池阴极端相连,Force HISense HI端与电池阳极端相连。尽可能使连接靠近电池,以消除太阳能电池端子电阻对测量准确度的影响。

 


图5 太阳能电池与2450型仪器连接示意图

利用用户界面生成、绘制和保存

I-V扫描的三个步骤

通过仪器前面板或总线,可以实现太阳能电池的I-V扫描。只需按压几个重要按键,即可生成测试、绘制图表并将数据保存至USB闪存。这里给出生成电压扫

描、绘制图表并将数据保存至USB 闪存三个简易步骤。

步骤1:生成和执行I-V扫描

步骤

重要按键

仪器复位至默认状态

菜单键→管理系统→复位

设置电压源并测量电流

主页按键→功能按键→提供电压源,测量电流

设置4线检测

菜单键→测试设置→检测模式→4线检测

配置扫描参数

菜单键→源扫描

• 设置期望的启动、停止和阶跃电压

• 向下滚动,设置电源限幅

• 按压Generate(生成),建立扫描

执行扫描

主页按键→按压TRIGGER键

步骤2:浏览图表


为了以图表形式浏览数据,请先按压MENU按键,然后按压Graph按钮。将自动显示I-V扫描图表。要想重复图表,只需按下TRIGGER按键。

 

步骤3:将数据保存至USB闪存


为了将I-V数据保存至USB闪存,首先插入USB闪存,按压MENU按键,选择Data Buffers,按压期望的缓冲区,然后按SAVE TO USB输入

文件名。数据将以.csv格式保存。随后,还可以下载至电子数据表,并进行分析。

 

 

 

图6 将数据保存至USB闪存

利用程控编程, 实现I-V测量自动化

通过灵活的LANUSBGPIB接口,利用SCPI或测试脚本处理器(TSP®)指令可以对2450型仪器进行程控。下面利用多晶硅太阳能电池,说明

怎样对2450型仪器进行编程,实现太阳能电池I-V 特性测试自动化。对于本次具体测试,将2450型仪器扫描电压范围设置为0V0.56V56个阶

跃(步长5mV),并以4线配置形式, 测量作为结果的电流。在附录A中给出执行本次测试的TSP代码, 在附录B中给出执行本次测试的SCPI代码。

图7给出根据测试结果绘制的电池I-V特性曲线。注意,对太阳能电池的测试是在光照(开灯)和黑暗(关灯)条件下进行的。如同前面的讨论,在

开灯条件下测得的电流是负值,因为2450型仪器吸入电流。如果需要, 曲线可以转化为电子数据表。

 

 

 

 图7 2450型仪器生成的太阳能电池I-V扫描 

除了通过总线实现I-V测量自动化,2450型仪器还可以在其用户界面显示推算的最大功率(Pmax)、短路电流(Isc)、开路电压(Voc), 以及用户推导计

算的其他值。请看在2450型仪器显示屏上呈现的大字体、易读太阳能电池参数,如图8所示。

 


图8 2450型仪器显示屏显示最大功率(Pmax)、短路电流(Isc)和开路电压(Voc)

 

附录ATSP代码实例

以下TSP代码实例的设计目的是在吉时利仪器的测试脚本建立器(TSB)软件上运行。TSB2450型仪器包含的一款软件工具。为了在其他编程环境使用,

您必须更改TSP代码实例。

在这个实例中,电压扫描范围是0V0.56V56个阶跃,并测量作为结果的电流。电流和电压读数存储在缓冲区(defbuffer1内。

 

-- 定义扫描点数

num = 56

 

-- 仪器复位,并清除缓冲区

reset()

 

-- 设置元和测量函数

smu.measure.func = smu.FUNC_DC_CURRENT smu.source.func = smu.FUNC_DC_VOLTAGE

 

-- 测量设置

smu.measure.terminals = smu.TERMINALS_FRONT smu.measure.sense = smu.SENSE_4WIRE smu.measure.autorange = smu.ON smu.measure.nplc = 1

 

-- 源设置

smu.source.highc = smu.OFF smu.source.range = 2 smu.source.readback = smu.ON smu.source.ilimit.level = 1

smu.source.sweeplinear('SolarCell', 0, 0.55, num, 0.1)

 

-- 开启触发器模型,并等待其完成trigger.model.initiate() waitcomplete()

 

-- 定义初始值

voltage = defbuffer1.sourcevalues current = defbuffer1

isc = current[1] mincurr = current[1] imax = current[1] voc = voltage[1] vmax = voltage[1]

pmax = voltage[1]*current[1]

 

-- 计算数值

for i = 1, num do

print(voltage[i],current[i],voltage[i]*current[i])

if (voltage[i]*current[i] < pmax)then pmax = voltage[i]*current[i] imax = current[i]

vmax = voltage[i]

end

if math.abs(current[i]) < math.abs(mincurr)then voc = voltage[i]


 end

end

 

pmax = math.abs(pmax) imax = math.abs(imax)

 

print("Pmax = ", pmax, ", Imax = ", imax, ", Vmax = ", vmax, ", Isc = ", isc, ", Voc = ", voc)

 

-- 在2450型仪器前面板显示数值display.changescreen(display.SCREEN_USER_SWIPE) display.settext(0, string.format("Pmax = %.4fW", pmax))

display.settext(1, string.format("Isc = %.4fA, Voc = %.2fV" , isc, voc))


附录BSCPI代码实例

SCPI指令序列实例旨在生成太阳能电池I-V扫描。您必须进行适当的修改,使之在您的编程环境运行。在这个实例中, 电压扫描范围是0V0.56V56

阶跃,并测量作为结果的光伏电池电流。电流和电压读数存储在缓冲区(defbuffer1)内。

SCPI指令

说明

*RST

仪器复位

SENS:FUNC "CURR”

设置测量电流

SENS:CURR:RANG:AUTO ON

开启测量自动量程

SENS:CURR:RSEN ON

开启4线检测模式

SOUR:FUNC VOLT

设置源电压

SOUR:VOLT:RANG 2

将电压源限幅设置为2 V

SOUR:VOLT:ILIM 1

将电流源限幅设置为1 A

SOUR:SWE:VOLT:LIN 0, 0.55, 56, 0.1

将扫描电压设置为00.55V56个阶跃, 间隔100ms

:INIT

启动扫描

*WAI

等待扫描完成

TRAC:DATA? 1, 56, "defbuffer1”, SOUR, READ

从缓冲区获得源值和测量值

文章来源:日图科技

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