材料研究

       太陽能電池也叫光伏電池，其發電過程主要有三部分：第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子-空穴對或偶極子；第二，非平衡電子和空穴從產生處向勢場運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；第三，非平衡電子和空穴在勢場的作用下向相反的方向運動而分離。在制作出太陽能電池后要對其進行測試和表征，以反映所得電池的性能。

       太陽能電池從研發到生產，每個環節都有不同的測試需求，其光電特性包括伏安 I-V特性分析對推導有關太陽能電池性能的重要參數至關重要，主要包括最大電流 IMAX 和電壓 VMAX、開路電壓 VOC、短路電流 ISC、填充因子FF 以及轉換效率η等。

       為何選擇數字源表來進行太陽能電池的I-V測試？

       許多半導體和電子裝置測試都涉及要盡可能快地輸出電壓和測量電流。整體測試時間是由充電時間、測量時間、放電時間，以及設定和處理測試時間所組成的函數。傳統的電源只能輸出電壓或電流，而無法作為負載吸收能量，而數字源表（SMU）是一種可以提供完整的四象限運行的精密儀表，當工作在第2和第4象限時，可以作為阱（負載）吸收能量，工作在第1和第3象限時，可以作為源輸出能量，而且在源或阱模式下能同時測量電壓、電流和電阻。數字源表（SMU）綜合了電流源、電壓源、電流表、電壓表及電子負載的功能，并能夠輕松地在這些不同功能之間進行切換。這使它能夠獨立測量器件在所有四個測量象限中的I-V特性,不需要使用任何其他設備。這將極大改善測試時間、簡化整體測試系統設計，并提升可用性。除了能夠非常精確地輸出和測量電壓或電流輸出大小,數字源表（SMU）還具有一致性測量特性,可以限定電壓或電流輸出大小,預防器件損壞。

       普賽斯數字源表（SMU）易于整合其它設備來構建完整的測量解決方案

       自2015年開始，普賽斯致力于數字源表的研究，并于2019年率先實現數字源表的國產化，陸續推出了高精度數字源表、插卡式源表等產品，并聯合行業知名廠商為用戶打造科研級單通道及多通道太陽能電池I-V測試系統，為光伏器件的研究、質檢以及應用提供可靠的工具，旨在幫助科研學者節約時間用于下一個科研突破。同時提供了不同的選型配置，滿足不同功率和精度的測試需求。

       太陽能電池單通道I-V測試方案

       單通道I-V測試系統以普賽斯數字源表為核心，搭載3A級太陽能模擬光源、測試樣品臺以及專用I-V測試軟件等組成。

圖1 太陽能電池I-V測試系統

       高精度數字源表：

       普賽斯S系列源表是普賽斯歷時多年打造的高精度、大動態范圍、數字觸摸的率先國產化源表，集電壓、電流的輸入輸出及測量等多種功能，最大電壓300V，最大電流1A，支持四象限工作，適用于小面積、小功率的太陽能電池片的I-V測試。而HCP系列最大直流電流30A，最大脈沖電流可達100A，最大電壓50V，適用于需要大電流測試的應用場景。

       太陽能電池多通道穩定性測試方案

       近年來鈣鈦礦太陽能電池因其創紀錄的高效率、低廉的制造成本而備受矚目。影響鈣鈦礦電池商業應用的主要瓶頸是其長期穩定性，特別是光照、光+熱聯合作用下的穩定性。目前鈣鈦礦電池常用的工作穩定性測試方法是將電池置于1sun標準光照射下，持續最大功率點跟蹤（MPPT），控制電池溫度為50℃左右，進行光老化測試。常規測試時間是1000小時，如仍在1sun下進行光老測試在時效性上是無法接受的，因此有必要在更高光強（＞1sun）下進行更快加速度的老化測試。

       普賽斯專為鈣鈦礦太陽能電池研究工作者量身打造的一款功能強大而齊全的多通道太陽能電池穩定測試系統，光源采用可輸出1-4sun等效光強的長壽命白光LED燈，可通過多種方式對電池進行控溫（-40-150℃）并控制電池所處的環境氣氛（N2、干空、恒溫恒濕等），可以對多組電池同時進行長期的穩定性能測試。除了傳統的MPPT模式以外，還增加了恒壓（如開路電壓） 和恒流老化（如短路電流）模式以增加穩定性研究的靈活性，并集成了強大數據分析軟件可以實時查看和對比不同樣品的各項性能指標。

       該系統主要由硬件部分和軟件部分組成，硬件包含上位機、高精度數字源表、LED光源以及軟件組成。每一個源表獨立控制一個電池，這樣可以實現每一個電池實時動態MPPT控制，而不是一個源表輪循控制多個電池；數字源表可采用普賽斯S系列高精度數字源表或者CS系列高精度插卡式源表產品搭建。

       S系列源表多通道測試方案

       該方案采用普賽斯S系列源表搭建多通道測試系統，S系列源表電壓范圍300uV~300V，電流范圍100pA~1A，能夠兼顧絕大多數小電池和小型模組的測試，源表的數量決定通道數量。

       CS系統插卡源表多通道測試方案

       該方案主要采用普賽斯插卡式設備（CS1010C主機+CS100子卡 或者CS1010C主機 + CS400子卡）組建多通道測試方案，具有通道密度高、同步觸發功能強、多設備組合效率高等特點。

       CS1010C主機：采用自定義框架，背板總線帶寬高達3Gbps，支持16路觸發總線，滿足多卡設備高速率通信的需求，擁有最高容納10字卡的插槽；

       CS100子卡：為單卡單通道子卡，具備四象限工作能力，最大電壓30V，最小電流100pA，輸出精度達到0.1%，最大功率為30W；配合CS1010主機最多能搭建10個測試通道；

       CS400子卡：為單卡四通道字卡，卡內4通道共地，最大電壓10V，最大電流200mA，輸出精度達到0.1%，單通道最大功率2W；配合CS1010主機最多能搭建40個測試通道；

       LED光源

       采用高穩定長壽命進口超大光照面積LED燈珠陣列燈板，支持多個小電池和小型模組同時光照測試，燈板面積最大可支持350*350mm2,有效光照面積300*300mm2,穩定性10000小時衰退<2%。

       系統軟件

       系統測試主要分為I-V測試、MPP追蹤、V-t測試和I-t測試四個主測試界面。

I-V測試：開始先測量電池的開路電壓值VOC，通過設置掃描電壓間距（可設定），均勻分布采集電壓值。將電壓逐漸加大（正掃）/減小（反掃）；每個電壓點等待穩定時t1,讀取該點電流值，采集記錄電流隨電壓變化的基礎數據和曲線。

圖8 I-V正反掃描曲線

圖9 PV正反掃描曲線

       總結

       武漢普賽斯推出的精密型數字源表（SMU）是對太陽能電池和各種其他器件的I-V特性進行表征的最佳解決方案。其寬廣的電流和電壓測量范圍，可以為科研及生產制造提供良好的測量性能。結合太陽光模擬器以及專用的上位機軟件，支持自動掃描I-V特性曲線以及開路電壓、短路電流、最大功率、填充因子、轉換效率等參數的測量，能極大簡化太陽能電池I-V測試效率，可以比以前更精確、更輕松的表征器件。

       關于普賽斯全系列數字源表（SMU）及應用方案的信息，歡迎隨時來電咨詢18140663476。