序言
當前，全球正面臨著嚴峻的環境問題，而且能源日漸緊缺。太陽能因為具有清潔和可再生的特點，所以成為首選的替代能源，推動相關的太陽能電池技術實現飛速發展。這一切變化加大了太陽能行業對太陽能電池（以及太陽能電池模塊）測試與測量解決方案的需求。
典型測量
太陽能電池測量通常包括以下關鍵參數。
開路電壓（Voc）――電流為零時的電池電壓。
短路電流（Isc）――負載電阻為零時的電池電流。
電池的最大功率輸出（Pmax）――電池產生最大功率時的電壓和電流點。I-V 曲線上的 Pmax 點通常指最大功率點（MPP）。
Pmax 電壓（Vmax）――Pmax 時的電池電壓。
Pmax 電流（Imax）――Pmax 時的電池電流。
器件的轉換效率（η）――在太陽能電池連接至電路時，轉換（從光能轉換為電能）和收集的功率百分比。η 的計算方法為：最大功率點 Pmax 除以標準測試條件（STC）下的輸入光輻照度（E，單位：W/m²）和太陽能電池表面積（Ac，單位：平方米）。
· 占空因數（FF）――最大功率點 Pmax 除以開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）
· 電池二極管性能
· 電池串聯電阻
· 電池并聯電阻
圖 1：太陽能電池的電流電壓曲線圖
圖中文字中英對照：
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Amps Isc Pmax Volts Voc |
A Isc Pmax V Voc |
常用解決方案
目前，太陽能電池測試解決方案分為兩大類：成套系統和通用測試儀器。成套系統適用于驗證和制造測試階段。這些系統可以確保測試的可重復性，因為它們經過編程，可對太陽能電池進行一系列電池測試。
研究人員通常會使用半導體設計實驗室中的通用測試儀器。他們使用半導體器件參數分析儀測量二極管器件特性，使用 LCR 測量計（電感電容電阻測量計）測量材料/器件的電感、電容和電阻。
在測試整個太陽能電池輸出功率時，許多研究實驗室會使用低功率 4 象限電源（有時簡稱 SMU），該電源可以：
精確地供應正和負電壓（供應也稱施加）；
精確地供應正和負電流（供應負電流是將電流吸入電源的過程）；
精確測量被測件的電壓和電流（測量也稱感知）。
4 象限電源的用途十分廣泛，但其能夠為被測件提供的最大電流和功率較小。大部分精密型 4 象限電源只能供應 3 A 或 20 W 的連續電力。這種最大電流和功率適合小型獨立電池測試，但隨著電池技術的發展，電池的效率、電流密度和尺寸均出現了較大幅度的增長，電池功率輸出可能很快超過 4 象限電源的最大額定值。太陽能電池模塊通常能夠提供超過 50 W 甚至可以達到 300W 或以上的輸出，這意味著對其進行測試將無法繼續使用 4 象限電源。
為此，工程師必須使用現有的標準電子負載、直流電源、數字萬用表、數據采集設備（包括溫度測量、掃描、開關和數據記錄設備等）構成靈活的測試系統，才能在廣泛的工作范圍內對這些太陽能電池模塊進行測試，同時保證測量精度。例如，您可以使用數據采集系統掃描環境溫度、被測件溫度、校準參考電池的電壓以及其他需要在測試中捕獲的測試參數。
戶外測試
部分工程師可能會使用配備了太陽仿真器的成套太陽能電池測試系統展開測試。太陽仿真器是一個標準光源，可以控制照射太陽能電池的光能。但是當太陽能電池或模塊過大時，太陽仿真器無法產生足夠的光能。例如，被測的太陽能電池模塊可能是大型戶外太陽能收集系統的一部分。此時，測試只能以太陽作為真實的物理光源。由于在戶外使用成套測試系統（無太陽仿真器）進行測試是不現實的，工程師不得不放棄這種測試方法，而采用由標準測試儀器構成的其他測試解決方案。
戶外測試還需考慮溫度因素。電池性能會受到溫度的影響，因此在測試時，有必要使用數據采集系統或溫度測量系統進行溫度監測。不僅電池性能會受到溫度的影響，測試設備同樣會受到溫度的影響。許多儀器廠商未指明測試設備在非室溫條件（25 ± 5 °C）下的技術指標，而優質測試設備廠商會提供溫度系數技術指標，以幫助調整測試儀器的精度指標，從而修正在非指定溫度范圍下的操作。因此，為了在不可能控制溫度的戶外環境中正確使用測試儀器，您需要了解實時溫度，并根據溫度系數技術指標進行相應的調整，以確保測試儀器的精度。
大功率測試的負載
對于大功率應用，您可以使用標準電子負載進行太陽能電池測試。由于習慣了使用成套系統或 4 象限電源，許多工程師在進行太陽能電池測試時不會想到電子負載。鑒于太陽能電池可以產生能量，在使用 4 象限電源對其進行測試時，電源的實際工作模式如下：太陽能電池對電源的端點施加了一個正電壓。同時，電流從太陽能電池流向 4 象限電源的端點，意味著 4 象限電源觀察到的是負電流（相對其端點）。此時也可以說是 4 象限電源在吸收電流。在電學上，對端點施加正電壓，且電流流向自身（即吸收電流）的電源稱為電子負載。因此，對大部分太陽能電池測試來說，如果有光線照在太陽能電池上，且電池正在產生電力，4 象限電源即作為電子負載使用。使用電子負載的優勢在于它可以適應所有的電流和功率：使用 50W 或更高（可達數千 W 和數百 A）的電子負載，我們可以跳出 4 象限電源僅能提供 3A、20 W 電能的限制。
電子負載可在恒壓（或 CV）模式下工作。恒壓模式下，負載將調整流經自身的電流，以調節其端點的電壓，使其保持在一個恒定值。因此，恒壓模式可用于創建電壓掃描：使用負載控制太陽能電池輸出的電壓，然后測量生成的電流（如圖 2 所示）。部分負載（例如 Agilent N3300 系列）可以快速執行 CV 定位點列表以掃描恒壓模式的輸出電壓，從而快速繪制 I-V 曲線。與此同時，負載可以將從太陽能電池流向負載的電流波形轉換成數字波形（與捕獲示波器跡線類似）。通過繪制掃描控制的 CV 電壓和數字轉換的實際電流圖像，您可以創建 I-V 曲線。由于這一切可以作為快速掃描在短時間內完成，整個測試可在大約一秒鐘的時間內實現，即在電池受熱和溫度因密集光源照射出現變化前完成。
圖 2：使用 CV 模式下的電子負載測量 I-V 曲線
圖中文字中英對照：
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Amps Vsc End V = Vshort Set lower V, Meas I Max Power Point when V*I = max is used to determine efficiency Start V = Voc Voc Volts Process: Set electronic load to CV Set electronic load V = Voc Measure I Decrement CV setting Measure I at each step of the loop Stop when CV setting = Vsc Plot I-V curve Use V, I pairs to determine max Power |
A Vsc 結束 V = Vshort 設定低電壓，測量電流 最大功率點（V*I 值最大時）用于確定效率 起始電壓 ＝ Voc Voc V 步驟： 設定電子負載為 CV 設定電子負載 V＝ Voc 測量電流 逐步下調 CV 設置 在循環的每個步驟測量電流 在 CV 設定＝ Vsc 時停止 繪制 I-V 曲線圖 使用 V 和 I 乘積確定最大功率 |
許多電子負載具有工作電壓下限，因為大部分電子負載以 FET 為基礎設計。要正確地傳導電流，FET 需要一個流經 FET 的最小電壓，意味著負載的 + 和 – 輸入端點間有一個最小工作電壓。通常，電子負載的最小輸入電壓為 2 到 3 W。為電子負載串聯一個直流電源可以消除這個限制。參見圖 3，用于為電子負載提供補償電壓的直流電源稱為補償電源。通常，補償電源設為 3 V，以確保滿足電子負載的最小電壓需求。直流電源的電壓不會對太陽能電池產生影響。直流電源是一個浮置器件，最多會將太陽能電池偏置 3 V。
圖 3：配置用于太陽能電池測試的電子負載和補償電源
圖中文字中英對照：
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Solar Cell Offset Supply Set to 3V Current flow Electronic Load Always has ≥ 3V on inputs |
太陽能電池 補償電源 設為 3V 電流 電子負載 輸入端始終保持 ≥ 3V 電壓 |
結論和更多信息
全球對清潔、可再生能源的迫切需求正推動著太陽能電池技術高速發展。隨著太陽能電池尺寸的增加和效率的提升，電池測試可能會遇到更大的電流和功率，因此市場需要更靈活的測試設備。此時，成套解決方案可能無法滿足需求，工程師可以使用現有的電子負載來測試太陽能電池。如果配置和應用適當，電子負載可用于對太陽能電池或太陽能電池模塊輸出進行所有與功率相關的測量。目前市場上的電子負載可提供廣泛的電壓、電流、功率和測量精度。負載、數字萬用表和數據采集設備相結合，可以在成套系統靈活度不夠的情況下滿足您的測量需求。
如欲了解更多關于使用標準測試儀器進行太陽能電池和太陽能電池模塊測試的信息，請參閱安捷倫出版物“Solar Cell and Module Testing: How to decrease costs and increase flexibility in a rapidly changing test environment”，5990-3262EN。只需在安捷倫主頁頂部的搜索框中輸入“5990-3262EN”，即可從www.agilent.com 下載這個 12 頁的應用指南。