多結太陽電池特性參數測試系統的製作方法

2023-06-11 12:29:51

本實用新型涉及太陽電池製造或檢測設備改進技術，尤其是多結太陽電池特性參數測試系統。

背景技術：

應用衛星上的太陽電池，是衛星電子設備供電的關鍵，相關技術屬於國家在航空航天技術或衛星通信應用系統領域重點支持的高新技術範疇，現有技術的研究中，多結太陽電池特性參數測試系統為深入研究太陽能電池提供了有效手段。

太陽電池的轉換效率與製造工藝與材料息息相關，如何方便有效地測定太陽電池特性參數，這是本測試系統要解決的問題。

目前，太陽電池測試系統大多數只能測一些常規參數像開路電壓、短路電路、填充因子、最大功率點、轉換效率等。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供多結太陽電池特性參數測試系統，有效解決測試電纜引入的分布參數及串聯等效電阻的影響問題。

本實用新型主要用於測試高效多結太陽電池電容C-頻率f、電容C-電壓V、電容C-溫度T等交流電學特性；多通道太陽電池電流靈敏度、靈敏度不一致度、靈敏度不均勻度等光電特性和並聯、串聯、隔離、正向、反向等電阻特性。

本實用新型的目的將通過以下技術措施來實現：高準直太陽模擬器連接測試暗箱，測試暗箱內安裝有電池、多通道電池測試夾具、狹縫光闌移動機構、溫控測試臺和太陽電池夾具，測試暗箱外安裝有多通道開關控制器、數字源表、工控機、LCR精密測試儀和電池片移動取放機構，其中，數字源表交互連接工控機，同時，數字源表連接入多通道開關控制器，多通道開關控制器連接入多通道電池測試夾具後進一步連接電池；工控機分別連接入狹縫光闌移動機構、多通道開關控制器和電池片移動取放機構，同時，工控機還與溫控測試臺以及LCR精密測試儀交互連接；LCR精密測試儀進一步連接入太陽電池夾具。

尤其是，高準直太陽模擬器安裝在測試暗箱上方，數字源表和LCR精密測試儀碼放在工控機上方，在這二組設備之間安裝顯示器。

尤其是，高準直太陽模擬器採用離軸準直型光學系統，高準直太陽模擬器包括光源、橢球面聚光鏡、光學積分器、光闌和準直物鏡和反光鏡，光源採用接近於太陽光譜分布的短弧氙燈模擬太陽光，短弧氙燈為高壓短弧氙燈，短弧氙燈位於橢球面聚光鏡的第一焦點處，光學積分器位於橢球面聚光鏡的第二焦點處，光學積分器在光源一側安裝光闌，在光學積分器後方安裝準直物鏡，在測試暗箱頂部有入光口。準直物鏡後方安裝反光鏡，反光鏡安裝在溫控測試臺上方。

本實用新型的優點和效果：能夠進行高效空間太陽電池C-f、C-V和C-T等交流電學特性測試分析；能夠進行多通道太陽電池正向、反向、並聯、串聯和隔離等電阻特性測試分析；能夠進行多通道太陽電池電流靈敏度、靈敏度不一致度和靈敏度不均勻度等光電特測試分析。適合太陽電池研究性測量。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1中系統結構連接關係示意圖。

圖2為本實用新型實施例1中系統硬體組成示意圖。

圖3為本實用新型實施例1高準直太陽模擬器光路原理示意圖。

圖4為本實用新型實施例1中高準直太陽模擬器中短弧氙燈結構圖。

圖5為本實用新型實施例1中高準直太陽模擬器中橢球反射鏡外形結構示意圖。

圖6為本實用新型實施例1中高準直太陽模擬器中光學積分器沿軸剖面結構示意圖。

圖7為圖6的軸向布局示意圖

圖8為本實用新型實施例1高準直太陽模擬器中準直物鏡結構示意圖。

圖9為本實用新型實施例1中測試暗箱外形及內部結構示意圖。

附圖標記包括：高準直太陽模擬器1、測試暗箱2、電池3、多通道電池測試夾具4、狹縫光闌移動機構5、溫控測試臺6、多通道開關控制器7、反光鏡106、電池片移動取放機構11和太陽電池夾具12。

具體實施方式

本實用新型原理在於，通過計算機控制LCR測試儀和控溫測試平臺，進行高效空間太陽電池結電容特性測試，同時，通過計算機控制數字源表、多通道開關控制器、模擬器光攔、測試平臺和夾具進行多通道電池的光電和電阻特性測試，除了可進行太陽電池基本特性參數的測量，還可進行其他太陽電池特性參數的研究性測量。

本實用新型中，在測試過程中需要配合使用測試軟體。

本實用新型包括：高準直太陽模擬器1、測試暗箱2、電池3、多通道電池測試夾具4、狹縫光闌移動機構5、溫控測試臺6、多通道開關控制器7、數字源表8、工控機9、LCR精密測試儀10、電池片移動取放機構11、太陽電池夾具12、待測太陽電池13、顯示器14。

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

實施例1：如附圖1和2所示，高準直太陽模擬器1連接測試暗箱2，測試暗箱2內安裝有電池3、多通道電池測試夾具4、狹縫光闌移動機構5、溫控測試臺6和太陽電池夾具12，測試暗箱2外安裝有多通道開關控制器7、數字源表8、工控機9、LCR精密測試儀10和電池片移動取放機構11，其中，數字源表8交互連接工控機9，同時，數字源表8連接入多通道開關控制器7，多通道開關控制器7連接入多通道電池測試夾具4後進一步連接電池3；工控機9分別連接入狹縫光闌移動機構5、多通道開關控制器7和電池片移動取放機構11，同時，工控機9還與溫控測試臺6以及LCR精密測試儀10交互連接；LCR精密測試儀10進一步連接入太陽電池夾具12。太陽電池夾具12上安裝待測太陽電池13。

前述中，如附圖2所示，高準直太陽模擬器1安裝在測試暗箱2上方，數字源表8和LCR精密測試儀10碼放在工控機9上方，在這二組設備之間安裝顯示器14，以上設備安置於工作檯上。

前述中，如附圖3所示，高準直太陽模擬器1採用離軸準直型光學系統，高準直太陽模擬器1包括光源、橢球面聚光鏡101、光學積分器103、光闌104和準直物鏡105和反光鏡106，光源採用接近於太陽光譜分布的短弧氙燈102模擬太陽光，短弧氙燈102為高壓短弧氙燈，短弧氙燈102位於橢球面聚光鏡101的第一焦點處，光學積分器103位於橢球面聚光鏡101的第二焦點處，光學積分器103在光源一側安裝光闌104，在光學積分器103後方安裝準直物鏡105，在準直物鏡105後方安裝反光鏡106，反光鏡106安裝在溫控測試臺6上方。

如附圖4示，短弧氙燈102結構包括，石英玻璃泡1024中部對置安裝陽極1023和陰極1025，其中陽極通過鉬箔1022連接燈頭1021。

如附圖5示，橢球面聚光鏡101工作原理包括，短弧氙燈102作為光源安置在橢球面聚光鏡101的第一焦點處，在橢球面聚光鏡101的第二焦點處安置場鏡1031，場鏡1031安裝在光學積分器103前側，在光學積分器103後側安裝光闌104。

如附圖6和7所示，光學積分器103選擇對稱式光學積分球，包括相對平行固定二平行的平面玻璃板1032的二外側面分別安裝場鏡1031和投影鏡1033，在場鏡1031和投影鏡1033中包括若干相互以邊緣緊密連接正多邊形的元素透鏡1034。

如附圖8所示，準直物鏡105由正透鏡1051和負透鏡1052凸凹曲面貼合構成，其中，正透鏡1051為凸透鏡，負透鏡1052為凹透鏡。

如附圖9所示，測試暗箱2頂部有入光口201。測試暗箱2內底部安裝溫控測試臺6。

在本實施例中，短弧氙燈102的結構具有軸對稱性，所以採用包容角很大的橢球面聚光鏡101可得到較高的聚光效率。短弧氙燈102發出的光經橢球面聚光鏡101會聚再反射，在橢球面聚光鏡101第二焦面上的光學積分器103前的場鏡1031的通光口徑內形成一個達到要求的照度分布，在光學積分器103表面形成對稱分布的高斯型輻照；然後光學積分器103的各元素透鏡將會對這個度分布對稱分割再疊加，經過光學積分器103前後兩組透鏡陣列分割和疊加，高斯型輻照被處理成為均勻光束，然後透過濾光片，光譜輻照分布得到修正，更接近自然陽光；修正光譜後的均勻光束經過離軸拋物反射鏡準直後變為準直均勻光束出射。出射光會在準直物鏡105焦面上的光闌104所在位置形成一個輻照度分布均勻的輻照面，這個均勻面再經過準直物鏡105準直以後平行地投射到系統的反光鏡106上。繼而，反光鏡106將這個輻照均勻面經過90°向下反射到溫控測試臺6上方。

在本實施例中，高準直太陽模擬器1出射的光束應該是平行的、均勻的光束，而從短弧氙燈發出的光能光場分布很不均勻，即使經過橢球聚光鏡將氙燈光源離焦後，得到第二焦面的輻照分布也只是平緩了一些，與輻照面輻照均勻性指標相差甚遠，因此，需要在橢球聚光鏡第二焦點上安裝光學積分球，將橢球聚光鏡匯聚的光束進行均勻化處理。由於，高準直太陽模擬器1出射光束直徑大於200mm，準直視場為32′±2′，因此，準直系統結構選型為透射式光學結構，採用F#5光學參數，準直物鏡的焦距為1000mm。透射式準直物鏡中心區域沒有遮攔，這樣可以提高光能利用率，也可以使系統出射較高均勻性的光能分布。根據初步確定的光學參數，準直物鏡的線視場為±4.651mm，因此在對準直物鏡進行光學設計時我們對準直物鏡的球差、慧差以及位置色差進行校正。準直物鏡選用的是一套由正負透鏡組成的雙分離結構形式，這樣就可以有效地校正以上提到的3種主要像差，提高輸出光束的均勻性和準直精度。正負透鏡分別選用H-BAK1和ZF2兩種玻璃製作，其結構如圖7示。準直物鏡視場光闌安裝在光學積分球投影鏡外，視場光闌的大小主要決定了模擬光源子系統的準直視場，由於系統在工作時光學積分球的溫度很高，為了防止光闌因為高溫而變形，因此，視場光闌選用低膨脹係數的4J36材料。在高準直太陽模擬器1光學系統設計中聚光系統的作用就是要充分地匯聚光源發出的輻射通量，使反射光能夠在光學積分器入射端場鏡組的通光口徑內形成一定的照度分布，這個照度分布是否平滑將會影響到系統的輻照均勻性以及輻照強度這兩個太陽模擬器的關鍵指標。因此聚光鏡的設計是十分重要的。評價聚光鏡設計好壞的標準是在光學積分器入射端通光口徑內的輻照度分布梯度平緩的前提下，聚光鏡的聚光效率和光學積分器口徑利用率要儘可能的高一點。聚光效率指的是聚光鏡匯聚到第二焦面上所形成的輻射通量佔光源發出總的輻射通量的比值。光學積分器口徑利用率是指光學積分器入射面通光口徑內接收到的來自聚光鏡匯聚的輻射通量佔聚光鏡匯聚到該平面內總的輻射通量的比值。這兩項指標的大小將決定最終傳輸到系統輻照面能量的多少，影響系統的輻照強度。光學積分器入射端場鏡通光口徑內的輻照度分布梯度應儘量小一些，使系統可以在少數光學通道的條件下，獲得理想的輻照均勻性。聚光鏡的設計就是要選擇合理的光學參數，儘量提高聚光效率和積分器的口徑利用率，使光學積分器入射端場鏡通光口徑的照度分布儘量平緩。

在本實施例中，LCR精密測試儀10能準確並穩定地測定各種各樣的元件參數，主要是用來測試電感、電容、電阻的測試儀。它具有功能直接、操作簡便等特點，能以較低的預算來滿足生產線質量保證、進貨檢驗、電子維修業對器件的測試要求。

在本實施例中，控溫測試臺6實現在測試光照條件下實現太陽電池片的高精度控溫。控溫測試臺主要由測試基臺、溫控單元組成。溫控單元由溫度傳感器、溫度控制器和半導體製冷片組成。其中，溫度控制器是專門為驅動半導體熱電製冷片而設計的高性能風冷溫度控制系統，其特點是高精度和高穩定度。輸出負載為半導體熱電製冷片。具有PID控制軟體、智能無級控溫、多路的半導體製冷控制輸出、既可加熱又可製冷。控溫測試臺6採用現代最新電力電子器件和高速微處理器(MPU)程序控制技術，以及PWM調製、雙向電源、PID調節技術，具有優良的電壓、電流輸出特性，開關機時無過衝、反衝、浪湧現象，並帶有過流、過壓、過溫、欠溫等保護電路，以及RS232遠程控制接口。溫度傳感器採用PT鉑電阻，具有良好的線性與穩定性。控溫測試臺6是利用帕爾帖效應原理工作的，具有高精度、長壽命、體積小、無噪聲、無磨損、無振動、無汙染、既可製冷又可加熱等優點。

在本實施例中，多通道電池測試夾具4可與多通道電池電極連接，通過專用電纜與多通道切換器相連。與真空吸附裝置結合可有效吸附電池片，平臺上有定位臺階。

在本實施例中，測試暗箱2提供無雜散光的測試環境，內部有LED的輔助照明，鋁合金材質結構，內側面陽極化亞光發黑，確保長時間工作不掉色。

在本實施例中，在對太陽電池結電容的測量時，克服測試電纜引入的分布參數及串聯等效電阻的影響，有助於太陽電池的研究工作。

在本實施例中，高準直太陽模擬器1模擬出太陽電池所需的光照環境，其光譜特性接近太陽光。為了在無光環境下測試太陽電池，測試暗箱2可封閉環境光。數字源表8提供測量所需的電壓源和電流源，同時又可作電流和電壓的測量設備。多通道電池測量時需不同通道間的切換，多通道開關控制器7能很好地完成此工作。狹縫光闌移動機構5配合多通道太陽電池靈敏度不均勻度的測量，不同光照位置時多通道太陽電池輸出電流的測量，狹縫光闌需停留到相應位置。控溫測試臺6提供太陽電池的溫度測試條件，採用半導體溫控，溫度測量元件為PT100。

在本實施例中，高準直太陽模擬器1中橢球面聚光鏡101選定聚光鏡面形為橢球面，用鋁合金製作。高準直太陽模擬器1具有發光亮度高、照度均勻、工作狀態穩定、功率可調、壽命時間長等特性，而且光譜分布應接近太陽光譜分布。故光源子系統光源選用氙燈做光源，氙燈作為太陽模擬器的光源主要有以下優點：

(1)光譜的能量分布中連續光譜很強，和太陽光十分接近，適合進行模擬性實驗；

(2)氙燈電流和氙氣壓力在大範圍內變化時，它的光譜能量分布基本保持不變；

(3)燈的光、電參數一致性非常好，光照強度分布均勻，能保證輻照面獲得均勻的輻射強度；

(4)氙燈點燃幾秒後就可以輻射80％以上的光能量，數十秒後達到穩定的峰值光能量；氙燈熄滅以後，可以馬上再點燃。

(5)啟動裝置簡單，使用壽命很長(達到1000小時以上)。

此外，本實用新型實施例中，關鍵部件的所能達到的技術要求包括：

1)高準直太陽模擬器1：

光譜分布：AM0；

光譜失配度達到B級標準；

光強可調範圍：0.01sun-0.2sun(1sun＝1367W/m2)；

輻照不均勻度：優於±1.0％(對應有效光斑尺寸不小於6.0cm×6.0cm)；

優於±2.0％(對應有效光斑尺寸不小於12.0cm×12.0cm)；

輻照不穩定度：優於±1.0％/2h；

光束準直度：32′±2′。

2)控溫測試臺6：

控溫方式：半導體控溫，程控調節；

溫控範圍：5～60℃，穩定性±0.2℃；

測試基臺：≥12cm×12cm，鍍金紫銅，具備真空吸附功能；

測試探針(結電容)：LCR精密測試儀生產廠商專用測試探針；

溫度傳感器：監控測試臺面控溫，測量精度優於±0.2℃。

3)LCR精密測試儀10：

測試頻率：100Hz～10MHz；

電容測試範圍：0.1nF～100uF；

直流偏置電壓範圍0～40V；

交流測試電壓範圍0～20V。

4)數字源表8：

電壓測試範圍：±10V；

電流測試範圍：±1.0A；

電流測試精度優於1nA；

電壓測試精度優於10uV。

5)多通道電池測試夾具4：

模塊化設計，平臺具備定位和真空吸附能力；

測試探針匹配4通道、8通道和14通道太陽電池，類型包括單片、疊層和模塊。

6)多通道開關控制器7：程控切換，同時，滿足不低於14通道太陽電池電阻和光電特性測試通道切換要求。