電池聚光測試系統和方法及用於電池聚光測試的樣品臺的製作方法

2023-10-04 18:28:09

專利名稱：電池聚光測試系統和方法及用於電池聚光測試的樣品臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池聚光技術，屬於太陽能電池聚光性能測試領域。
背景技術：
近年來，太陽能電池作為一種新型的可再生能源，已經越來越受到了人們的關注，其在能源產業上的地位也越來越重要。隨著太陽能技術的不斷發展和人們對於高效太陽能電池的不斷的深入探究，由多個PN結構成的高效太陽能電池(以下稱為聚光太陽能電池)和聚光組件共同組成的聚光太陽能電池系統勢必將會成為太陽能電池應用的主流。對於多個PN結的太陽能電池，在實際應用過程中，往往都不是直接工作在戶外太陽光下，而是要通過聚光透鏡把一個大面積的太陽光匯聚到一塊很小的電池表面，這樣使得該太陽能電池表面單位面積接收到了高於普通太陽光幾倍甚至幾百倍的光強(具體取決於透鏡面積和透鏡焦點光斑面積大小的比值)，這樣就使得一塊同樣大小的太陽能電池產生更高的輸出電流(輸出電流會與聚光倍數成正比)和輸出電壓，因此可以大幅度的提高太陽能電池的輸出功率。然而，在不同的光照強度和不同的溫度下，太陽能電池的電流-電壓特性也會發生變化。因此，需要檢驗在I個標準太陽光(戶外日光)的條件下性能良好的電池是否在高倍聚光條件下仍有優良的電流電壓特性，並且希望能夠找出該電池在多少聚光倍數下能輸出最高的輸出功率，在多少聚光倍數下有最高的能量轉化效率等。太陽能電池聚光測試系統就是一種能夠在高於普通太陽光光強數倍或是數百倍的條件下對太陽能電池進行電流電壓性能測試並且有效記錄測試數據(開路電壓，短路電流，填充因子，效率，串聯電阻，並聯電阻等)和電流電壓曲線的的一套完整系統。在當前的太陽能電池聚光測試領域中，往往都是通過添加聚光透鏡或者直接用高光強的光源(一般是I個標準太陽光強的20-70倍，後面我們統稱這類光源為聚光光源)來代替傳統的氙燈光源的方法來實現聚光測試。例如，圖1示出了一種通過添加菲涅爾透鏡來實現聚光的測試系統。其包括模擬光源10、聚光透鏡(例如菲涅爾透鏡)20、樣品臺40、光源控制器50、測試系統60等。測試電池30放在樣品臺40上。聚光透鏡20用於會聚由模擬光源10例如標準氙燈光源發出的模擬太陽光。由聚光透鏡20會聚的高光強的光斑照射在測試電池30上。光源控制器50可用於調節模擬光源10的功率來控制模擬光源I輸出的模擬太陽光的強度。測試系統60包括半導體參數儀、電腦等，均通過導線電連接到光源控制器50和測試電池30，用於實時地對測試電池30進行電流電壓性能測試。上述測試系統的聚光倍數是由菲涅爾透鏡20的面積與通過菲涅爾透鏡20後照射在電池30平面上的光斑的面積的比值決定的，可以通過調整菲涅爾透鏡20到電池30表面的垂直距離,來改變光斑面積的大小(光斑面積一定要比電池面積大，透鏡面積/電池面積是該透鏡理論能滿足的最大聚光倍數)，以達到調節聚光倍數的目的，從而實現對不同聚光倍數下的電池性能的測試。
但是由於散射光的存在以及光在傳播途徑中的損失，聚光倍數不是與聚光透鏡到電池表面的距離線性地成比例，因此往往不能準確、定量地校準聚光倍數。換句話說，在光強一定的情況下，現有的採用菲涅爾透鏡的聚光測試系統都只能通過改變菲涅爾透鏡的位置單純地增加或者減小聚光倍數，測試人員並不能準確地知道照射到電池表面的光斑的聚光倍數。另外，採用聚光光源來實現聚光測試的系統，即把標準光源直接更換為具有一定聚光倍數的聚光光源，直接對電池進行測試，不需要添加任何聚光透鏡。這樣雖然可以定量地確定單一的聚光倍數，然而被測光斑聚光倍數不可調整是其一大缺點，而且聚光光源造價昂貴，難以廣泛應用。其次，從技術角度以及測試的可靠性分析，照射在電池表面的光會有小部分在電池與鏡面之間經過二次反射重新被電池吸收，這種現象不僅僅是在聚光測試中特有的，在非聚光的太陽能電池測試中，也會出現這種情況，這是引起測試誤差的原因之一，而在聚光條件下，這種誤差顯然會隨著聚光倍數的增加被放大，這樣的測試結果也是測試人員不希
望看到的。另外，從測試環境角度講，測試電池在高倍聚光下由於光強較標準太陽光強(1000瓦/平方米)要大得多(具體視聚光倍數而定)，而現有的聚光測試系統對測試人員的視力缺乏應有的保護，由於絕大多數的測試都在暗室中進行，人眼的瞳孔此時處於最大化的狀態，如測試人員在測試過程中不小心直視到50倍以上的聚光光斑，視力將受到嚴重損傷。

發明內容
鑑於上述現有技術中的上述問題，本發明的目的在於克服現有技術中的缺陷和問題的至少一個方面。根據本發明的一個方面，提出一種太陽能電池聚光測試系統，包括光源，所述光源為太陽模擬光源；聚光系統，所述聚光系統布置成會聚由光源發出的模擬太陽光，並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光；第一反射鏡，所述第一反射鏡布置成以45度角接受由聚光系統輸出的平行光，第二反射鏡，所述第二反射鏡布置成以45度角接受由第一反射鏡反射的光；測試電池，所述測試電池放置在第二反射鏡的反射光的光路上，用於接受由第二反射鏡反射的光；以及電池性能測試系統，所述電池性能測試系統電連接到測試電池，用於對測試電池進行性能測試，其中，通過改變聚光系統的聚光倍數以在不同聚光倍數下對電池進行性能測試。根據本發明的一個實施例，所述聚光系統包括聚光透鏡，所述聚光透鏡布置成會聚由所述光源發出的所述模擬太陽光；平行光透鏡，所述平行光透鏡布置成將由所述聚光透鏡會聚的光轉化為平行光並輸出所述平行光；其中，通過改變聚光透鏡與平行光透鏡中的至少一個的焦距和/或兩者之間的距離來改變聚光系統的聚光倍數。根據本發明的一個實施例，所述聚光透鏡和所述平行光透鏡中的至少一個為變焦透鏡。
根據本發明的一個實施例，所述聚光系統還包括位於聚光透鏡和平行光透鏡之間的孔徑光闌，所述孔徑光闌構造成能夠根據測試電池的形狀和大小相應地調節孔徑光闌的孔徑的形狀和大小，從而使具有一定形狀和大小的光斑照射到測試電池上。根據本發明的一個實施例，所述第二反射鏡為具有一定反射/透射比的分光鏡，所述太陽能電池聚光測試系統還包括能夠精確測定聚光倍數的標準電池，所述標準電池放置在相對於所述分光鏡與測試電池對稱的位置處，從而，測試電池接受被分光鏡反射的光，標準電池接受透過分光鏡的光；並且，標準電池也電連接到電池性能測試系統，其中，標準電池用於根據以下公式確定照射到測試電池的光的聚光倍數C = I/I0*X(I)其中，C表示照射到測試電池的光的聚光倍數，I表示電池性能測試系統測得的標準電池的短路電流I，I。為標準電池上標明的標準電池在標準太陽光強下的短路電流I。，X為分光鏡的反射/透射比。根據本發明的一個實施例，所述平行光透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、測試電池和標準電池安裝於樣品臺上，所述平行 光透鏡位於樣品臺的表面上，所述第一反射鏡、第二反射鏡和標準電池位於樣品臺內部，所述測試電池位於樣品臺的表面上與平行光透鏡不同的位置處。根據本發明的一個實施例，所述標準電池還用於測定分光鏡的反射/透射比，當需要測定所述分光鏡的反射/透射比時，分別將標準電池放置於樣品臺上的測試電池位置和標準電池位置並電連接到電池性能測試系統，根據電池性能測試系統輸出的在測試電池位置的標準電池的短路電流I2與在標準電池位置的標準電池的短路電流I1的比I2A1來確定分光鏡的反射/透射比X，即X = I2/I10 (2)。根據本發明的一個實施例，所述樣品臺連接有載物片，用於安裝測試電池，所述載物片可在扣合於樣品臺表面上的第一位置和從樣品臺表面翻起的第二位置之間轉換，從而，測試電池可在載物片處於第二位置時安裝於載物片的面對樣品臺的表面上，並在載物片扣合到樣品臺的第二位置時連接於樣品臺上。根據本發明的一個實施例，所述的太陽能電池聚光測試系統還包括透鏡支架，所述透鏡支架包括帶刻度的支杆和位於支杆上的可調節高度的透鏡託架，所述透鏡託架用於安放聚光透鏡。根據本發明的另一方面，提出一種用於太陽能電池聚光測試的樣品臺，所述樣品臺用於安裝平行光透鏡、反射鏡、分光鏡、測試電池和標準電池，其中，所述平行光透鏡位於樣品臺的表面上，所述反射鏡、分光鏡和標準電池位於樣品臺內部，所述測試電池位於樣品臺的表面上與平行光透鏡不同的位置處，所述平行光透鏡、反射鏡、分光鏡、測試電池和標準電池布置為使得反射鏡以45度角接受由平行光透鏡輸出的光；分光鏡以45度角接受由第一反射鏡反射的光；測試電池位於所述分光鏡的反射光的光路上，用於接受由所述分光鏡反射的光；以及標準電池位於所述分光鏡的透射光的光路上，用於接受由所述分光鏡透射的光，並且所述標準電池位於相對於所述分光鏡與所述測試電池對稱的位置處。
根據本發明的另一方面，提出一種太陽能電池聚光測試方法，包括以下步驟採用聚光系統會聚由光源發出的模擬太陽光，並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光；將第一反射鏡布置成以45度角接受由聚光系統輸出的平行光，將第二反射鏡布置成以45度角接受由第一反射鏡反射的光；將測試電池放置在第二反射鏡的反射光的光路上，用於接受由第二反射鏡反射的光；以及將電池性能測試系統電連接到測試電池，對測試電池進行性能測試,其中,通過改變聚光系統的聚光倍數以在不同聚光倍數下對電池進行性能測試。根據本發明的一個實施例，所述聚光系統包括聚光透鏡和平行光透鏡，採用聚光透鏡會聚由光源發出的平行光，並採用平行光透鏡將由聚光透鏡會聚的光轉化為平行光並輸出；其中，通過改變聚光透鏡與平行光透鏡(兩者或兩者之一的)焦距和/或兩者之間的距離來改變照射到測試電池的光的聚光倍數。根據本發明的一個實施例，所述聚光透鏡和所述平行光透鏡中的至少一個為變焦 透鏡。根據本發明的一個實施例，將所述第二反射鏡設置成具有一定反射/透射比的分光鏡，所述太陽能電池聚光測試方法還包括採用標準電池標定聚光倍數的步驟，包括將所述標準電池放置在相對於所述分光鏡與測試電池對稱的位置處，從而，測試電池接受被分光鏡反射的光，標準電池接受透過分光鏡的光；將標準電池電連接到電池性能測試系統；根據以下公式標定照射到測試電池的光的聚光倍數C = I/I0*X(I)其中，C表示照射到測試電池的光的聚光倍數，I表示電池性能測試系統測得的標準電池的短路電流I，I。為標準電池上標明的標準電池在標準太陽光強下的短路電流I。，X為分光鏡的反射/透射比。根據本發明的一個實施例，還包括利用所述標準電池標定分光鏡的反射/透射比的步驟，包括分別將標準電池放置於樣品臺上的測試電池位置和標準電池位置並電連接到電池性能測試系統，根據電池性能測試系統輸出的在測試電池位置的標準電池的短路電流I2與在標準電池位置的標準電池的短路電流I1的比I2A1來標定分光鏡的反射/透射比X，即X = I2ZiiO根據本發明的太陽能電池聚光測試系統，對傳統的測試光路進行了改進，使得一個太陽光強度的標準光源(一般測試系統為氣燈光源)的光經過聚光透鏡聚光後被第一反射鏡和第二反射鏡兩次反射，增加了總的反射光程，使得被測試電池反射的光在經過多次反射鏡反射後，與中心光線的偏移越來越大，使得最終的反射光線很難再次照射到測試電池上，從而減少了反射光對聚光測試的影響。另外，通過在測試光路中安裝標準電池片，可實現對聚光倍數即時進行校準，獲得精確的聚光倍數，滿足太陽能電池片在不同聚光倍數下測試的需求。並且，由於一個太陽光強度的標準光源照射到聚光透鏡，再經過聚光透鏡聚光後照射在樣品臺表面的平行光透鏡上，經過平行光透鏡透射過去的光都會在樣品臺內部經過多次反射最終照射在樣品上。由於人眼能夠接受到的光是被物體反射到人眼中的光，所以經過平行光透鏡透射之後的光都在樣品臺內部，處於封閉環境中，而在平行光透鏡之前的光路，幾乎不會有光會被反射到人眼，這樣就避免了測試人員直接觀察高倍聚光下電池的風險，對測試人員視力起到了保護作用。


圖1是現有的太陽能電池聚光測試系統的整體結構示意圖；圖2是根據本發明的一個示例性實施例的太陽能電池聚光測試系統的整體結構示意圖；圖3是顯示圖1中的測試光路部分的局部結構示意圖；圖4a_4c分別示出了幾種孔徑光闌的示意圖；圖5a是顯示現有技術的測試光路中的二次反射現象的示意圖；以及圖5b是顯示根據本發明的示例性實施例的測試光路中的二次反射現象的放大圖。圖6a和6b分別顯示圖1中的樣品臺的平面圖和透視圖；圖7a顯示圖6中所示的樣品臺中的載物片的翻起狀態的示意圖；圖7b是顯示測試電池在圖7a中的載物片上的放置位置的放大圖；圖8是顯示根據本發明的一個實施例的聚光透鏡支架的側面示意具體實施例方式以下結合附圖描述根據本發明的示例性實施例的太陽能電池聚光測試系統的結構和測試方法。注意，附圖只是示出了一種示例的實施例，本發明可以以其它的方式實施。如圖2所示，根據本發明的太陽能電池聚光測試系統的主要結構包括光源1，所述光源發出模擬太陽光；聚光系統2,用於會聚由光源I發出的模擬太陽光,並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光；第一反射鏡41，所述第一反射鏡41布置成以45度角接受由聚光系統2輸出的平行光；第二反射鏡42，所述第二反射鏡42布置成以45度角接受由第一反射鏡41反射的光；測試電池43，所述測試電池43放置在第二反射鏡42的反射光的光路上，用於接受由第二反射鏡42反射的光；以及電池性能測試系統6，所述電池性能測試系統6電連接到測試電池，用於對測試電池進行性能測試，其中，通過改變聚光系統2的聚光倍數來進行不同聚光倍數下的電池性能測試。根據圖2和3所示的實施例，光源I採用標準氙燈光源，其可包含光源開關、濾光片等部件。標準氙燈光源I可與光源控制器5連接，光源控制器5用於控制光源I輸出一定強度的模擬太陽光。聚光系統2包括聚光透鏡21和平行光透鏡22。聚光透鏡21例如為菲涅爾透鏡，布置在光源I的下方，用於會聚由光源I發出的模擬太陽光。平行光透鏡22布置在聚光透鏡21的下方，用於將由聚光透鏡21會聚的光轉化為平行光以輸出。在採用這樣的聚光系統的實施例中，可以通過改變聚光透鏡21與平行光透鏡22兩者或兩者之一的焦距和/或改變兩者之間的距離來改變聚光系統的聚光倍數。聚光透鏡21和平行光透鏡22可以構成縮束望遠鏡系統，具體而言，如圖3所示，假設聚光透鏡21距離平行光透鏡22的垂直高度為H，且聚光透鏡21的焦距為Ftl，平行光透鏡22的焦距為&，只需滿足H = Ffftl，則通過這一望遠鏡透鏡組合系統輸出的光即為平行光。並且，這樣的聚光系統2的聚光倍數可以表示為W為了便於調整聚光倍數，根據一個實施例，將聚光透鏡21和平行光透鏡22中的至少一個設置為變焦透鏡。根據另外的實施例，可以在上述的望遠鏡系統的基礎上，使用一些成本更高、精度和可控性更高的透鏡組合，使照射在測試電池上的光儘可能地絕對平行，例如可以將光源I通過望遠鏡系統和光闌組合先擴束形成大面積的平行光束，然後再用前述的聚光透鏡和平行光透鏡的組合形成良好的平行光輻照在測量位置上。根據另外的實施例，上述太陽能電池測試系統中的所有透鏡可以用反射鏡等其它光學元件來代替，只要能夠實現將光源I輸出的模擬太陽光進行會聚並輸出平行光即可。另外，根據一個實施例，如圖2所示，可以在聚光透鏡21和平行光透鏡22之間設置孔徑光闌23(圖中以虛線示意示出)。孔徑光闌23構造成能夠根據具體的測試電池43的形狀和大小相應地調節孔徑光闌的孔徑的形狀和大小，從而使具有一定形狀和大小的光斑照射到測試電池上，達到使光更有效地照射在電池表面的目地，減少雜散光和電池表面以外的光。圖4a-4c分別示出了幾種孔徑光闌的示意圖。每一種孔徑光闌23都具有用於調節孔徑尺寸的孔徑尺寸調杆31和孔徑32，其中圖4a示出了圓形孔徑，圖4b示出了六邊形孔徑，圖4c示出了正方形孔徑，分別用於圓形電池、六邊形電池和方形電池。另外，如圖2和3所示，根據本發明的一個實施例，在聚光透鏡21下方提供一樣品臺4，用於安裝平行光透鏡22、第一反射鏡41、第二反射鏡42、測試電池43等。平行光透鏡22位於樣品臺4的表面上,第一反射鏡41、第二反射鏡42位於樣品臺4的內部,測試電池43位於樣品臺4的表面上與平行光透鏡22不同的位置處。具體而言，平行光透鏡22位於樣品臺4的表面上，位於聚光透鏡21的正下方。第一反射鏡41與樣品臺4的表面形成45度角，從而第一反射鏡41布置成以45度角接受由平行光透鏡22輸出的平行光。第二反射鏡42安裝在樣品臺4內部與第一反射鏡41平行相對的位置處，與樣品臺4的表面也形成45度角，從而第二反射鏡42能夠以45度角接受由第一反射鏡41反射的光。測試電池43安裝於樣品臺4的表面上與平行光透鏡22分開的位置處，位於第二反射鏡42的正上方，用於接受由第二反射鏡反射的光。此外，如圖2所示，根據本發明的太陽能電池聚光測試系統還可以包括用於電池的真空吸附的真空泵7、用於電池散熱的冷卻水循環系統8、散熱片、電源、計算機及其測試相關軟體以及在各個部件之間進行電傳輸的導線等。測試系統6包括半導體參數儀等，可通過導線與測試電池43和標準電池44的正負電極電連接，並連接到光源控制器5。此外，還可以為聚光透鏡21提供透鏡支架24(圖8)。當利用圖2所示的聚光測試系統對測試電池43的性能進行測試時，可以通過改變聚光透鏡21與平行光透鏡22中的至少一個的焦距和/或兩者之間的距離來改變聚光系統的聚光倍數，從而改變照射到測試電池43的光的聚光倍數，以進行不同聚光倍數下的電池性能測試。根據具有上述光路結構的電池測試系統，能夠顯著減小在電池與聚光系統的透鏡之間的二次反射光對測試的影響。以下參照圖5a和5b對此進行說明。
圖5a是顯示圖1所示現有技術的測試光路中的二次反射現象的示意圖。圖5b是顯示根據本發明的示例性實施例的測試光路中的二次反射現象的放大圖。如圖5a所示，如果使用傳統的聚光測試系統，直接在測試電池30上方添加聚光單元(如圖1所示)，那麼通過透鏡20後的聚光光束會照射在測試電池30上，由於電池表面會有小部分的反射，考慮極端情況，如圖5a所示，一束垂直於測試電池表面的光線，經過聚光透鏡如菲涅爾透鏡匯聚後，變為一條出射角為9的光線L，照射在電池片的左邊緣後反射到聚光透鏡20 (即菲涅爾透鏡)下表面，再經過反射後照射在測試電池30的右邊緣。假設透鏡20到測試電池30的高為350mm，測試電池為lcm*lcm的聚光電池，那麼經過簡單計算可知只要從聚光透鏡發出的光線與測試表面的垂線夾角小於約0.81度(即0小於0.81度)，並且照射到電池表面的光，均可發生2次反射，反射光的強度視聚光倍數而定。如圖5b所示，如果使用本發明設計的光路系統應用在同樣的條件下(透鏡到測試電池的高為350mm，測試電池為lcm*lcm的聚光電池)。如圖5b所示，實線L1為實際光路，虛線Ltl為理論垂直光束。為了方便計算且考慮極端情況，假設光路的高和寬都是66cm，選用第一反射鏡41和第二反射鏡41』均與樣品臺表面形成45度角，那麼單次反射如圖，如果經過平行光透鏡之後的光束仍然與樣品臺的垂直方向偏移0度，那麼傾角為0的光束L1與假設的理論垂直光束Ltl在反射鏡處的位置沿水平方向將會相差一段距離，此時假設我們修正這條傾角為0的光束，讓它反射後沿平行於垂直光束的方向傳播，得到如圖所示的第一條修正反射光線L2，那麼照射到被測電池的時候，會與垂直光線照射在被測電池的位置發生偏移，此偏移是由於圖中最初的光線L1與垂直光線Ltl發生了 0的偏角，我們假設此被測電池處發生的偏移的長度為一個單位長度d。如果我們假設我們把9傾角的光線，在第二次反射後修正其光束，得到如圖所示的第二條修正反射光線L3，那麼最後照射在被測電池上的光束與垂直光束的偏差就為2個單位長度。如果我們不修正0傾角的光束U，那麼這條光束Ltl會沿真實的傳播方向最終落在離垂直光束左邊3個單位長度的地方。如果考慮到此光線被電池表面反射(同樣的原理，反射光路不再畫出)，回到樣品臺表面的平行光透鏡處，則反射光線位於如圖中所示的距離最初的光線右側6個單位長度的位置P1處，再反射回電池的左側邊緣處，則位於距離電池右邊緣處9個單位長度的位置P2處。經過計算(9個單位長度為電池長度Icm)可知，經過聚光後通過平行光透鏡的光線沿垂直方向小於約arcsin (1/9) /66 = 0. 18度(即圖中光線L1與垂直光線Ltl的夾角)，並且照射到電池表面的光，才可發生2次反射，所以本發明的光路設計與傳統設計相比會減少大約78%的二次反射。並且，如果用平板分光鏡42取代第二片反射鏡41』，被測試電池反射的光還會在垂直方向上透過平板分光鏡42到達樣品臺底部，如圖5b中的L4所示，進一步減少了回到測試電池的二次反射光。而且，如果增加反射鏡41與平板分光鏡42之間的光程，即增加樣品臺尺寸，把平板分光鏡沿圖中水平方向右移，這樣相當於增加了光線在第二反射鏡或分光鏡處偏移的單位長度d，從而最終落在測試電池上的光束與垂直光束的偏移長度也會增力口，而總的電池面積不變，根據之前的計算過程可以得出結論，測試中會減少更大比例的回到測試電池的二次反射光。綜上所述可知，根據本發明的聚光測試系統的光路設計，可以極大地減少回到測試電池的二次反射光，因此減少二次反射對測定電池聚光倍數的影響，使得照射到測試電池的聚光倍數儘可能地接近聚光系統的聚光倍數。本發明所考慮的另一方面的問題是，由於在光源與測試電池之間添加了聚光系統、反射鏡等，即使不考慮二次反射的問題，透鏡(菲涅爾透鏡、平行光透鏡)的色散問題和反射鏡的反射率等也可帶來光強的變化(主要造成光強的降低)，使得最終照射到測試電池表面的光的聚光倍數仍然會發生變化，可能不等於聚光系統的聚光倍數。雖然實際中可以在測試系統中儘可能地選用低色散係數的聚光透鏡和寬光譜高反射率的反射鏡來部分減輕上述問題，但仍不能保證其效果。而本發明的另一個實施例則滿意地解決了上述問題，以下將詳細說明。具體而言，根據本發明的另一個實施例，如圖2和3所示，可以在測試光路中進一步提供標準電池44並採用平板分光鏡作為第二反射鏡42。標準電池44是是經過專業的認證機構校準後在其上標明一個標準太陽光照射下的短路電流10的電池。如圖3所示，標準電池44放置在樣品臺4的內部，位於相對於第二反射鏡42與測試電池43軸對稱的位置處，從而，測試電池43接受被分光鏡42反射的光，標準電池44接受透過分光鏡42的光。由於標準電池43和測試電池44均位於測試光路的末端，因此，無論之前測試光路中會產生多大的光損失，照射在標準電池和測試電池上的光強的差別只受到平板分光鏡的反射/透射比的影響。因此，可以採用標準電池精確測定測試電池的聚光倍數。具體過程如下當需要精確測定聚光倍數時，開啟光源I後，可以將測試電池43和標準電池44同時電連接到測試系統6，並根據測試系統6輸出的標準電池44的短路電流值I和分光鏡42的反射/透射比X來計算照射到標準電池的光的聚光倍數C。具體計算公式如下C = I/I0*X(I)其中，C表示照射到測試電池的光的聚光倍數，I表示電池性能測試系統測得的標準電池的短路電流I，I。為標準電池上標明的標準電池在標準太陽光強下的短路電流I。，X為分光鏡的反射/透射比。 其原理說明如下利用如圖2所示的聚光測試系統進行測試時，經專業校準過的標準的模擬光源I照射出一個標準太陽光強的模擬太陽光，通過聚光透鏡21後，光線聚焦在樣品臺4表面的平行光透鏡22上，其中光源I面積大小與樣品臺4表面的平行光透鏡22面積的比值決定了這套測試系統理論的最大聚光倍數(300倍以上)，照射在平行光透鏡22上發散的光經收斂後通過反射鏡41和平板分光鏡42的兩次反射照射在倒置放置在樣品臺4上的測試電池43的表面。由於反射鏡41和平板分光鏡42均與樣品臺表面(測試電池表面)夾角為45度角，並且測試電池43和標準電池44放置成相對於分光鏡42軸對稱的位置處，因此，聚光光線照射在測試電池和標準電池上的強度比例就等於分光鏡的反射/透射比。因此，只要測試出照射到標準電池上的光線的聚光倍數，再乘以分光鏡的反射/透射比，即可以計算出照射到測試電池上的光線的聚光倍數。而測試照射到標準電池上的光線的聚光倍數，只需要通過測試系統6測試出標準電池的實時短路電流值I，並且對於標準電池，已知一個標準太陽光照射下的短路電流I。，因此，用測試系統實時測試的短路電流值I除以一個標準太陽光照射下的短路電流Itl，即可知道照射在標準電池44上的光相對於一個標準太陽光的聚光倍數(IAtl)。以上算法都可以寫進軟體程序中，隨時輸出照射在測試電池表面的聚光倍數，從而達到了精確測定測試電池聚光倍數的目的。並且，根據本發明的上述方法來確定聚光倍數，由於不受分光鏡之前光路的影響，因此，能夠精確地確定聚光倍數，進一步消除從平行光透鏡22輸出的非完美平行光的非平行性、透鏡的色散和反射鏡的反射率等帶來的測量誤差。以上計算假定分光鏡的反射/透射比已知。通常，為了達到更高的聚光倍數，我們需要選用高反射、低透射的分光鏡，例如可選用反射透射比為80/20或50/50的平板分光鏡，光譜的覆蓋面積從200nm-2um的範圍且有穩定的對應不同波長的反射/透射率。當分光鏡的反射/透射比未知，或者為了更精確地測定分光鏡的反射/透射比時，只需要在第一次測定聚光倍數的時候將標準電池44取出放在測試電池43的位置進行測試，得到短路電流I2，再將標準電池放回其原位，測試得到短路電流I1,即可知道分光鏡準確的反射/透射比X= I2/Ilt)這樣，用所測定的反射/透射比X乘以標準電池的聚光倍數，能夠得到更精確的測試電池的聚光倍數的數值。例如，標準電池44在專業的標定機構測試出I個標準太陽光下的短路電流為14mA，那麼將標準電池44放置在這套測試系統中的標準電池位置，打開光源，隨意調節一菲涅爾透鏡高度，然後測試標準電池44，得到短路電流值為140mA，然後將標準電池44放置在測試電池43的位置，其他條件均不變，如果測試得到短路電流為280mA，那麼說明照射在標準電池44上的聚光倍數為10倍(140mA/14mA)，在乘以反射與透射的比2 (280mA/140mA)，得到最終測試電池的聚光倍數為20倍。上述光路設計使得能夠即時得知準確的聚光倍數。這樣，之前所有聚光單元包括光路上造成的損失，都不會造成過高或過低讀取聚光倍數。以下參照

樣品臺4的相關結構。圖2和3顯示了樣品臺4的內部結構圖。圖6a和6b分別顯示圖2和3中的樣品臺的平面圖和透視圖。圖7a顯示圖6中所示的樣品臺中的載物片45的翻起狀態的示意圖。圖7b是顯示測試電池在圖7a中的載物片45上的放置位置的放大圖。如圖6a_7b所示，在樣品臺4上連接有載物片45，用於安裝測試電池43。載物片45可在扣合於樣品臺4表面上的第一位置(圖6b)和從樣品臺4表面翻起的第二位置(圖7a)之間轉換，從而，測試電池可在載物片處於第二位置時安裝於載物片45的面對樣品臺4的表面上，並在載物片45扣合到樣品臺4的第二位置時安裝於樣品臺4上。另外，圖6a所示的樣品臺的平面圖中還示出了用於普通電池測試的載物臺46的位置，從而，樣品臺4同時可用於普通電池測試系統中。如果用於非聚光測試的時候，只需調整樣品臺的位置，直接將樣品臺中普通測試載物臺46對準光源1，將電池放於樣品臺表面普通測試載物臺46的位置並移開聚光透鏡21進行測試。樣品臺4還可包括真空泵接口
50、冷卻水循環接口 51、電池負極引線出口 48、樣品臺正極引線出口 49、真空吸氣孔53等。當放置測試電池時，如圖7a和7b所示，將測試電池正面朝上放置在已經被翻起的載物片45最上方的小方形方格47內，具體大小可根據電池大小調節。在小方格中設有接線柱61和導線62，弓丨出後可連接電池性能測試系統6中的半導體參數儀，接線柱61可安裝彈簧探針並在測試時扎在電池的主柵線位置，即電池的負極。在放置好測試電池後，將載物片45轉回與樣品臺4扣合。可看到圖6a中樣品臺4處有兩個埠，分別是聚光測試的負極引線出口 48，圖7b中正方形方格中被測電池的四個角的位置設置有探針，其探針負極引線就是從這個口引出；樣品臺正電極埠 49，其可分別用於普通測試和聚光測試，作為電池的正極(因為電池背面與樣品臺接觸，電池背面為正電極)。引出後的導線與測試系統中的半導體參數儀相連接，用於測試電池性能的參數，最終測試的結果顯示在電腦上。同時由於整體光路基本都在樣品臺4內部傳輸，所以測試人員不會直視到高倍聚光後的光斑，避免了對視力的損傷。圖8示出了聚光透鏡支架的側面示意圖。透鏡支架24包括帶刻度的支杆25和位於支杆25上的可調節高度的透鏡託架26，所述透鏡託架26用於安放聚光透鏡21。根據圖1和圖2所示的實施例，本發明的太陽能電池聚光測試系統的測試過程如下按照順序打開各個儀器的電源(光源、半導體參數儀、電腦等)，並將連接線、傳輸線、數據線一次接好，進行光源的預熱，將聚光透鏡水平擺放於光源出口處，並記錄下聚光透鏡支架上面的刻度的讀數(刻度記錄代表菲涅爾透鏡的高度)，設為初值(以後應用此透鏡只需要調整到讀數位置同時對應看標準電池的讀數，如果一樣，說明光源系統穩定)；通過光源控制器5調節標準光源I的功率來控制標準光源I的平行光的強度；調節聚光透鏡支架24的高度和/或聚光透鏡21和平行光透鏡22中的至少一個的焦距來設定聚光系統的聚光倍數，此時保證聚焦的光斑面積大於平行光透鏡22的面積(聚焦光斑的面積增加僅減少聚光倍數，其他沒有照射在平行光透鏡上的面積對測試沒有任何影響)；可選用任意比例的平板分光鏡42來控制反射與透射的比例，同時測定當前的聚光倍數。其中分光鏡反射光對電池43進行測試，電池的背電極可有真空吸附同時加有散熱片和水冷保持恆溫，正負電極由導線導出，傳輸到測試系統中6的半導體參數儀對電池性能進行測試。測試信號由軟體編譯後輸出到電腦被存儲。改變聚光透鏡支架24的高度和/或聚光透鏡21和平行光透鏡22中的至少一個的焦距來改變聚光系統的聚光倍數，進行不同聚光倍數下的電池性能測試。如上所述可知，根據本發明，提供了一種太陽能電池聚光測試系統和方法，其利用反射鏡與透射鏡增加了光從聚光單元到測試電池之間的光程，同時平板分光鏡的作用使被電池反射回去的一部分光透過平板分光鏡，照射在樣品臺的下表面，大大減少了二次反射對電池聚光測試的影響。並且，根據本發明，整體的光路中，測試電池與標準電池分別位於分光鏡的反射與透射的光路上，且照射在兩塊電池上的光強的不同只與分光鏡的反射/透射比例有關，與之前所有光路的損失無關。因此可以利用標準電池即時地校準聚光倍數。另外，根據本發明，經過平行光透鏡透射過去的光都會在樣品臺內部經過多次反射最終照射在測試電池上，並且通過可翻轉的載物片反向安裝測試電池，使光可以由下往上照射在測試電池帶有負電極的表面。因此，經過平行光透鏡透射之後的光都在樣品臺內部，處於封閉環境中，而在平行光透鏡之前的光路，幾乎不會有光會被反射到人眼，這樣就避免了測試人員直接觀察高倍聚光下電池的風險，對測試人員視力起到了保護作用。以上具體描述了本發明的示例實施例。本領域技術人員可根據需要對所描述的實施例進行各種變形。例如，如果不需要精確測定聚光倍數，可以不提供分光鏡和標準電池。平行光透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、測試電池和標準電池可以不安裝於樣品臺上，而是分別通過不同的支撐結構支撐，只要能實現本發明預期的光路即可。聚光系統可不限於聚光透鏡和平行光透鏡，而是可以採用其它能夠實現聚光並輸出平行光的光學系統。因此，本發明不局限於所描述和圖示的特定實施例。
權利要求
1.一種太陽能電池聚光測試系統，包括 光源，所述光源為太陽模擬光源； 聚光系統，所述聚光系統布置成會聚由光源發出的模擬太陽光，並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光； 第一反射鏡，所述第一反射鏡布置成以45度角接受由聚光系統輸出的平行光， 第二反射鏡，所述第二反射鏡布置成以45度角接受由第一反射鏡反射的光； 測試電池，所述測試電池放置在第二反射鏡的反射光的光路上，用於接受由第二反射鏡反射的光；以及 電池性能測試系統，所述電池性能測試系統電連接到測試電池，用於對測試電池進行性能測試，其中，通過改變聚光系統的聚光倍數以在不同聚光倍數下對電池進行性能測試。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述聚光系統包括 聚光透鏡，所述聚光透鏡布置成會聚由所述光源發出的所述模擬太陽光； 平行光透鏡，所述平行光透鏡布置成將由所述聚光透鏡會聚的光轉化為平行光並輸出所述平行光； 其中，通過改變聚光透鏡與平行光透鏡中的至少一個的焦距和/或兩者之間的距離來改變聚光系統的聚光倍數。
3 根據權利要求2所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述聚光透鏡和所述平行光透鏡中的至少一個為變焦透鏡。
4.根據權利要求2所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述聚光系統還包括位於聚光透鏡和平行光透鏡之間的孔徑光闌，所述孔徑光闌構造成能夠根據測試電池的形狀和大小相應地調節孔徑光闌的孔徑的形狀和大小，從而使具有一定形狀和大小的光斑照射到測試電池上。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述第二反射鏡為具有一定反射/透射比的分光鏡，所述太陽能電池聚光測試系統還包括能夠精確測定聚光倍數的標準電池，所述標準電池放置在相對於所述分光鏡與測試電池對稱的位置處，從而，測試電池接受被分光鏡反射的光，標準電池接受透過分光鏡的光；並且，標準電池也電連接到電池性能測試系統，其中，標準電池用於根據以下公式確定照射到測試電池的光的聚光倍數 C = I/I0*X(I) 其中，C表示照射到測試電池的光的聚光倍數，I表示電池性能測試系統測得的標準電池的短路電流I，I。為標準電池上標明的標準電池在標準太陽光強下的短路電流I。，X為分光鏡的反射/透射比。
6.根據權利要求5所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述平行光透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、測試電池和標準電池安裝於樣品臺上，所述平行光透鏡位於樣品臺的表面上，所述第一反射鏡、第二反射鏡和標準電池位於樣品臺內部，所述測試電池位於樣品臺的表面上與平行光透鏡不同的位置處。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述標準電池還用於測定分光鏡的反射/透射比，當需要測定所述分光鏡的反射/透射比時，分別將標準電池放置於樣品臺上的測試電池位置和標準電池位置並電連接到電池性能測試系統，根據電池性能測試系統輸出的在測試電池位置的標準電池的短路電流I2與在標準電池位置的標準電池的短路電流I1的比I2A1來確定分光鏡的反射/透射比X，即X = i2/i10
8.根據權利要求6所述的太陽能電池聚光測試系統，其中，所述樣品臺連接有載物片，用於安裝測試電池，所述載物片可在扣合於樣品臺表面上的第一位置和從樣品臺表面翻起的第二位置之間轉換，從而，測試電池可在載物片處於第二位置時安裝於載物片的面對樣品臺的表面上，並在載物片扣合到樣品臺的第二位置時連接到樣品臺上。
9.根據權利要求2所述的太陽能電池聚光測試系統，還包括透鏡支架，所述透鏡支架包括帶刻度的支杆和位於支杆上的可調節高度的透鏡託架，所述透鏡託架用於安放聚光透鏡。
10.一種用於太陽能電池聚光測試的樣品臺，所述樣品臺用於安裝平行光透鏡、反射鏡、分光鏡、測試電池和標準電池，其中，所述平行光透鏡位於樣品臺的表面上，所述反射鏡、分光鏡和標準電池位於樣品臺內部，所述測試電池位於樣品臺的表面上與平行光透鏡不同的位置處，所述平行光透鏡、反射鏡、分光鏡、測試電池和標準電池布置為使得 反射鏡以45度角接受由平行光透鏡輸出的光； 分光鏡以45度角接受由第一反射鏡反射的光； 測試電池位於所述分光鏡的反射光的光路上，用於接受由所述分光鏡反射的光；以及 標準電池位於所述分光鏡的透射光的光路上，用於接受由所述分光鏡透射的光，並且所述標準電池位於相對於所述分光鏡與所述測試電池對稱的位置處。
11.一種太陽能電池聚光測試方法，包括以下步驟 採用聚光系統會聚由光源發出的模擬太陽光，並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光； 將第一反射鏡布置成以45度角接受由聚光系統輸出的平行光， 將第二反射鏡布置成以45度角接受由第一反射鏡反射的光； 將測試電池放置在第二反射鏡的反射光的光路上，用於接受由第二反射鏡反射的光；以及 將電池性能測試系統電連接到測試電池，對測試電池進行性能測試，其中，通過改變聚光系統的聚光倍數以在不同聚光倍數下對電池進行性能測試。
12.根據權利要求11所述的太陽能電池聚光測試方法，其中，所述聚光系統包括聚光透鏡和平行光透鏡，採用聚光透鏡會聚由光源發出的模擬太陽光，並採用平行光透鏡將由聚光透鏡會聚的光轉化為平行光並輸出； 其中，通過改變聚光透鏡與平行光透鏡中的至少一個的焦距和/或兩者之間的距離來改變照射到測試電池的光的聚光倍數。
13.根據權利要求12所述的太陽能電池聚光測試方法，其中，所述聚光透鏡和所述平行光透鏡中的至少一個為變焦透鏡。
14.根據權利要求11-13中任一項所述的太陽能電池聚光測試方法，其中，將所述第二反射鏡設置成具有一定反射/透射比的分光鏡，所述太陽能電池聚光測試方法還包括採用標準電池精確測定聚光倍數的步驟，包括 將所述標準電池放置在相對於所述分光鏡與測試電池對稱的位置處，從而，測試電池接受被分光鏡反射的光，標準電池接受透過分光鏡的光；將標準電池電連接到電池性能測試系統； 根據以下公式確定照射到測試電池的光的聚光倍數 C = I/I0*X(I) 其中，C表示照射到測試電池的光的聚光倍數，I表示電池性能測試系統測得的標準電池的短路電流I，I。為標準電池上標明的標準電池在標準太陽光強下的短路電流I。，X為分光鏡的反射/透射比。
15.根據權利要求14所述的太陽能電池聚光測試方法，還包括利用所述標準電池測定分光鏡的反射/透射比的步驟，包括 分別將標準電池放置於樣品臺上的測試電池位置和標準電池位置並電連接到電池性能測試系統，根據電池性能測試系統輸出的在測試電池位置的標準電池的短路電流I2與在標準電池位置的標準電池的短路電流I1的比I2A1來確定分光鏡的反射/透射比X，即X =VI1O
全文摘要
本發明公開了一種太陽能電池聚光測試系統和方法及相應的測試樣品臺。所述太陽能電池聚光測試系統包括光源、聚光系統、第一反射鏡和第二反射鏡、測試電池和電池性能測試系統。聚光系統會聚由光源發出的模擬太陽光，並輸出相對於光源發出的模擬太陽光具有預定聚光倍數的平行光。第一反射鏡布置成以45度角接受由聚光系統輸出的平行光。第二反射鏡布置成以45度角接受由第一反射鏡反射的光。測試電池接受由第二反射鏡反射的光。電池性能測試系統電連接到測試電池，用於對測試電池進行性能測試，其中，通過改變聚光系統的聚光倍數以在不同聚光倍數下對電池進行性能測試。本發明利用獨特的光路設計，可以減少二次反射對聚光測試的影響。
文檔編號G01M11/02GK103064030SQ20121055883
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者魏郝然, 楊軍, 王偉明 申請人:楊軍, 王偉明, 國電科技環保集團股份有限公司