一种高光强大范围太阳电池光照线性度测试方法和装置

摘要

本发明提出一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试方法和装置，可准确测试光强变化范围在3个数量级以上特别是在数千太阳常数的高光强下的短路电流或开路电压光照线性度，可连续测量也可自由设定光强间隔。本发明的测试装置包括能产生光脉冲的测试光源和测试暗室，测试暗室开有小孔窗口，小孔窗口后放置光谱调整滤光片，再倾斜放置分束镜，在分束镜的透射光光路上经一组竖直放置的可单独移入或移出光路的中性衰减滤光片放置被测太阳电池和标准太阳电池；在分束镜的反射光光路上经衰减滤光片放置监测太阳电池；被测太阳电池和标准太阳电池均固定在温控测试台上，温控测试台置于可使其在光源光轴线方向上前后移动的导轨上。

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测 试方法和装置。所述高光强是指光强在1个太阳常数(1367W/m²)以上的光强，所述大范围 是指光辐照度变化范围或光强变化范围在3个数量级以上。

背景技术

太阳电池短路电流(或开路电压)随光照强度变化曲线斜率的变化称为太阳电池短路电 流(或开路电压)光照线性度。太阳电池光照线性度是评价太阳电池性能的一个重要参数。 例如国际标准ISO-15387中规定标准太阳电池的短路电流在使用光强范围内的光照线性度应 在±2％以内，开路电压随光强对数的线性度应在±5％以内。线性度不好的标准太阳电池在 对偏离标定光强较大的光强进行测量时将产生严重的误差。对于空间用标准太阳电池通常是 在1个太阳常数下进行标定，在实际使用中需要测量的光强往往与1个太阳常数有较大的偏 离，如空间应用中：水星轨道的太阳辐射强度约为6.7太阳常数，火星轨道的太阳辐射强度 约为0.42太阳常数，卫星太阳敏感器测试用太阳模拟器的辐照强度约为0.1太阳常数；地面 应用中：聚光太阳电池的工作光强从数个太阳常数至数千太阳常数。因此，对于标准太阳电 池来说，需要了解从0.1到数千太阳常数光强范围的线性度。

一些光电探测器线性测量方法可以用来测量太阳电池的光照线性度。最基本的方法是根 据平方反比定律在光轨上通过改变光源与探测器光敏面间的距离实现不同光强照射来测算探 测器的线性度，然而，一方面在一个6米长的光轨上基于平方反比定律实现的光强变化最多只 有几十倍，另一方面，由于灯与探测器间距很大时，杂散光的影响将十分明显；间距太小则 将导致平方反比定律失效，因此，在大范围特别高灵敏度探测器的线性测量在光轨上实现起 来很困难，且精度难以保证。除距离平方反比法外，研究者们还提出了几种获得辐照度增加 的方法，如，滤光片或滤光片组法，Beer衰减法，偏振法等，均因辅助量测量引入的额外误 差而受限。目前最成熟的线性测试方法是双光源叠加法，具有高可靠性和较高精度，且光辐 照度变化范围大为扩展。虽然双光源叠加法具有高可靠性和高精度，但由于每一次光源叠加 值的实现都要通过反复移动光轨上的光源，实际操作过程是很繁琐，且对设备条件要求也比 较高，在实际应用中并不广泛。另外，双光源叠加法只能得到基准光强偶数倍的测试点，即 测试点不连续，且光强越大测试点的间隔也越大。还有一种基于双光源叠加法利用积分球混 光的智能光电探测器线性测量系统解决了自动化智能测试的问题(谢印忠：智能光电探测器 线性测量系统的研究)。所有上述方法和系统的光辐照度变化范围都难以达到3个数量级以上， 特别是无法得到高光强(如1个太阳常数以上)时的光照线性度测试值。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试 方法和装置，可准确测试光强变化范围在3个数量级以上特别是在数千太阳常数的高光强下 的短路电流(或开路电压)光照线性度，既可连续测量也可自由设定光强间隔。

本发明的技术方案是：

一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试装置，所述高光强是指光强在1个太阳常 数(1367W/m²)以上的光强，所述大范围是指光辐照度变化范围或光强变化范围在3个数量 级以上，其特征在于，包括能产生光脉冲的测试光源和测试暗室，所述测试暗室在光源光轴 线方向上开有小孔窗口，小孔窗口后放置光谱调整滤光片，光谱调整滤光片后面倾斜放置分 束镜，将通过小孔窗口的光束分为较弱的反射光和主要的投射光；在分束镜的透射光光路上 经一组竖直放置的可单独移入或移出光路的中性衰减滤光片放置被测太阳电池和标准太阳电 池；在分束镜的反射光光路上经衰减滤光片放置监测太阳电池；所述被测太阳电池和标准太 阳电池均固定在温控测试台上，所述温控测试台置于可使其在光源光轴线方向上前后移动的 导轨上。

所述测试光源包括分别与脉冲电源连接的一个或多个脉冲氙灯；所述脉冲电源连接由计 算机控制的同步触发电路和光源输出能量控制电路；每个脉冲氙灯具有聚焦光束的椭圆形凹 面反光镜；所述测试光源还包括汇聚多个脉冲氙灯光辐射的锥形光管或椎形光纤束。

所述温控测试台连接步进电机，所述步进电机连接由计算机控制的机械位移控制电路； 所述中性衰减滤光片组的中性衰减滤光片连接伺服电机，所述伺服电机连接由计算机控制的 机械位移控制电路。

所述温控测试台连接由计算机控制的温控电路。

所述监测太阳电池、标准太阳电池和被测太阳电池同时连接由计算机控制的数据采集处 理电路。

一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试方法，所述高光强是指光强在1个太阳常 数(1367W/m²)以上的光强，所述大范围是指光辐照度变化范围或光强变化范围在3个数量 级以上，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用脉冲氙灯产生毫秒级的光脉冲，并通过光源会聚装置，将脉冲氙灯的光束聚焦为 高光强的测试点光源；

2)将高光强的测试点光源光束通过分光装置分为较弱的反射光和主要的透射光，主要的 透射光经多个可单独移出和移入光路的中性衰减滤光片组照射到被测太阳电池和标准太阳电 池上，较弱的反射光经衰减滤光片照射到监测太阳电池上；

3)将被测太阳电池和标准太阳电池安装在可沿导轨在光源光轴线方向上前后移动的温控 测试台上；

4)在光源光轴线方向上移动温控测试台，选择合适的中性衰减滤光片片数，控制光源的 闪光时间和光强，在闪光期间同时测量监测太阳电池、标准太阳电池的短路电流和被测太阳 电池的短路电流(或开路电压)；当被测太阳电池在距离测试光源不同的位置L₁和L₂处的光 强分别为E₁和E₂时，测得的被测太阳电池的短路电流或开路电压分别为I₁和I₂(或V₁和 V₂)，则被测太阳电池的光照线性度由下式得到：

$\sigma =(\frac{I1/E_2}{I2/E1}-1)\times 100\%.$

所述脉冲氙灯每次闪光光强的差异通过测量监测太阳电池的短路电流由以下公式予以 修正：

$I_{\mathrm{SC}}=I_1\left(\frac{I_{\mathrm{MR}}}{I_M}\right)$

V_OC＝V₁-R_S(I_SC-I₁)

式中：I₁、V₁-为实测的被测太阳电池的短路电流、开路电压；

I_SC、V_OC-为修正后的被测太阳电池的短路电流、开路电压；

I_M-为实测的监测太阳电池的短路电流；

I_MR-当标准太阳电池的短路电流等于其标定值时的1个太阳常数光强条件下，测得 的监测太阳电池的短路电流；

R_S-被测太阳电池的内部串联电阻；

则被测太阳电池的光照线性度为：

$\sigma =(\frac{I_{\mathrm{SC}2}/E_2}{I_{\mathrm{SC}1}/E1}-1)\times 100\%$

其中I_SC1、I_SC2分别为被测太阳电池在光强为E₁和E₂时的经过修正后的短路电流。

所述被测太阳电池在距离测试光源不同的位置L₁和L₂处的光强E₁和E₂通过下述方式得 出：

a)将温控测试台上的被测太阳电池和标准太阳电池均置于距离光源合适的位置L₁处， 选择合适的中性滤光片的片数，进行闪光测试，通过调节脉冲氙灯的光强使标准太阳电池的 短路电流等于其标定值，则被测太阳电池在距离测试光源的位置为L₁处的光强即为1个太阳 常数E₁；然后将温控测试台移动一段距离到位置Lx处，则被测太阳电池在Lx的位置处的光 强E_X可由下式得出：

$E_x=E_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}$

b)移入或移出一片中性滤光片，如该滤光片的透光率为T₁，则被测太阳电池在Lx的位 置处的光强为：

移入一片中性滤光片时：

${E_x}^{T1}=T_1{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}$

移出一片中性滤光片时：

${E_x}^{T1}=\frac{1}{T_1}{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}$

依次类推，加入或移出N个中性滤光片，则被测太阳电池在Lx的位置处的光强为：

移入N个中性滤光片时：

${E_x}^{T_N}=T_1{T}_2...T_N{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}$

移出N个中性滤光片时：

${E_x}^{T_N}=\frac{1}{T_1{T}_2...T_N}{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}$

式中：T₁、T₂、…T_N、分别为第1、2、…N个滤光片的透过率，因此，只要准确测出T₁、T₂、… T_N、L₁、L_X，即可得到准确的光强E_X值。

所述测试光源包括多个脉冲氙灯，当一个脉冲氙灯无法满足要求高光强时，由计算机控 制的同步触发电路同时触发多个脉冲氙灯，并采用锥形光管或椎形光纤束或其它光路系统将 多个脉冲氙灯的光辐射聚焦为更高光强的测试点光源。

由计算机控制的光源输出能量控制电路控制脉冲氙灯的闪光时间和光强；由计算机控制 的数据采集处理电路在闪光期间同时采集监测太阳电池的短路电流、标准太阳电池的短路电 流和被测太阳电池的短路电流或开路电压数据；由计算机控制的机械位移控制电路分别控制 与温控测试台和中性滤光片连接的步进电机，控制温控测试台的位移和中性滤光片从光路中 的移入和移出；由计算机控制的温控电路监控温控测试台上的被测太阳电池和标准太阳电池 的温度变化。

本发明的技术效果：

本发明提出的一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试装置和方法，可准确测试光 强变化范围在3个数量级以上特别是在数千太阳常数的高光强下的短路电流(或开路电压)光 照线性度，例如对高倍聚光条件下工作的标准太阳电池的光照线性度进行测试，即可连续测 量也可自由设定光强间隔，同时可实现计算机程控自动测试，将能够对标准太阳电池的性能 进行有效评价，也可给出应用于大工作光强范围的标准太阳电池的光强修正值，对标准太阳 电池的设计、制作、筛选和应用提供帮助。

本发明利用脉冲氙灯产生毫秒级的高能量光脉冲作为测试光源，当一支脉冲氙灯无法满 足要求高光强时，可通过同步触发电路同时触发多个脉冲氙灯，采用锥形光管、椎形光纤束 或其它光路系统将多个脉冲氙灯的光辐射汇聚到小孔窗口，以达到更高的光强，因此本发明 能够测量数千太阳常数的高光强下的短路电流(或开路电压)光照线性度；并可在毫秒数量 级上完成测试，避免高光强时被测太阳电池的升温；本发明通过设置可单独移入或移出光路 中性衰减滤光片组，扩大了光强的变化范围，可得到光强变化范围在3个数量级以上大范围 的短路电流(或开路电压)光照线性度的测试结果，并且由于每个滤光片可单独移入和移出， 光强测试点可连续自由设定；本发明利用已知的标准太阳电池在一个太阳常数光强下的短路 电流，根据平方反比定律，即可得到被测太阳电池在距离光源不同位置时的准确光强值，并 通过监测太阳电池对光源脉冲氙灯每次闪光光强的差异(一般在3％以内)进行修正，消除对 测量结果的影响，因此可以准确测量被测太阳电池的短路电流(或开路电压)随光强的变化。 整个测量装置由计算机进行控制，提高了测试测试结果的重复性和测试效率。

附图说明

图1是本发明高光强大范围太阳电池光照线性度的测试装置的结构示意图。

附图标记列示如下：1-脉冲氙灯，2-反光镜，3-锥形光管，4-小孔窗口，5-光谱调整滤光 片，6-分束镜，7-中性滤光片，8-衰减滤光片，9-被测太阳电池，10-标准太阳电池，11-监测 太阳电池，12-温控测试台，13-导轨，14-暗室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示：一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试装置，包括能产生光脉冲的 测试光源和测试暗室，本装置利用脉冲氙灯1产生毫秒级的高能量光脉冲作为测试光源，每 个脉冲氙灯具有聚焦光束的椭圆形凹面反光镜2，当一支脉冲氙灯无法满足要求的高光强时， 可通过同步触发电路同时触发多个脉冲氙灯，采用锥形光管3或椎形光纤束或其它光路系统 汇聚多个脉冲氙灯的光辐射，以达到更高的光强。测试暗室14在光源光轴线方向上开有小孔 窗口4，脉冲氙灯的光能量聚焦到测试暗室的小孔窗口，形成一个高光强的测试点光源；小 孔窗口后放置光谱调整滤光片5，光谱调整滤光片后面倾斜放置分束镜6，通过小孔窗口4的 光束被倾斜放置的分束镜6分为较弱的反射光和主要的投射光；在分束镜6的透射光光路上 经一组竖直放置的可单独移入或移出光路的中性衰减滤光片7放置被测太阳电池9和标准太 阳电池10；在分束镜6反射光光路上经衰减滤光片8放置监测太阳电池11；较弱的反射光经 衰减滤光片后照到监测太阳电池11上，主要的透射光经多个可单独移出和移入光路的中性衰 减滤光片组后照到被测太阳电池9和标准太阳电池10上。被测太阳电池9和标准太阳电池 10均固定在温控测试台12上，温控测试台12置于可使其在光源光轴线方向上前后移动的导 轨13上。上述测试光源的一个或多个脉冲氙灯1与分别与脉冲电源连接；脉冲电源连接由计 算机控制的同步触发电路和光源输出能量控制电路，控制多个脉冲氙灯的同步闪光以及脉冲 氙灯的闪光时间和光强；监测太阳电池、标准太阳电池和被测太阳电池同时连接由计算机控 制的数据采集处理电路，在闪光期间同时采集监测电池、标准太阳电池的短路电流和被测太 阳电池的短路电流或开路电压；中性衰减滤光片组的中性衰减滤光片连接伺服电机，伺服电 机连接由计算机控制的机械位移控制电路，控制滤光片移出和移入光路；温控测试台连接步 进电机，步进电机连接由计算机控制的机械位移控制电路，温控测试台的位移可通过与计算 机连接的机械位移控制电路精确控制；温控测试台还连接由计算机控制的温控电路，监控被 测太阳电池和标准太阳电池的温度变化。因此测试装置中滤光片的移入、移出，温控测试台 的前后移动、脉冲氙灯的闪光以及数据测试、处理和计算均可由计算机程序控制，实现整个 测试装置自动化。

一种高光强大范围太阳电池光照线性度的测试方法，包括以下步骤：

1)利用脉冲氙灯产生毫秒级的光脉冲，并通过光源会聚装置，将脉冲氙灯的光束聚焦为 高光强的测试点光源；

2)将高光强的测试点光源光束通过分光装置分为较弱的反射光和主要的透射光，主要的 透射光经多个可单独移出和移入光路的中性衰减滤光片组照射到被测太阳电池和标准太阳电 池上，较弱的反射光经衰减滤光片照射到监测太阳电池上；

3)将被测太阳电池和标准太阳电池安装在可沿导轨在光源光轴线方向上前后移动的温控 测试台上；

4)在光源光轴线方向上移动温控测试台，选择合适的中性衰减滤光片片数，控制光源的 闪光时间和光强，在闪光期间同时测量监测太阳电池、标准太阳电池的短路电流和被测太阳 电池的短路电流(或开路电压)；当被测太阳电池在距离测试光源不同的位置L₁和L₂处的光 强分别为E₁和E₂时，测得的被测太阳电池的短路电流或开路电压分别为I₁和I₂(或V₁和 V₂)，则被测太阳电池的光照线性度由下式得到：

$\sigma =(\frac{I1/E_2}{I2/E1}-1)\times 100\%---\left(1\right)$

开始测试时先将温控测试台置于导轨的一端，根据要求的测量范围选择中性滤光片的片 数，进行闪光测试，通过调节脉冲氙灯的光强使标准太阳电池的短路电流等于其标定值，这 时被测太阳电池的位置为L1，此处的光强即为1个太阳常数E₁，同时得到一组光强为一个太 阳常数E₁时的监测太阳电池的短路电流、标准太阳电池的短路电流和被测太阳电池的短路电 流或开路电压。

将温控测试台沿导轨移动一段距离到Lx，进行闪光测试得到一组光强为Ex的监测太阳电 池的短路电流、标准太阳电池的短路电流和被测太阳电池的短路电流(或开路电压)，此处的 光强可由式(2)给出，

$E_x=E_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}---\left(2\right)$

依次移动温控测试台和进行闪光测试直到位置L2。

移入或移出一片中性滤光片，如该滤光片的透光率为T1，则测试台在L1和L2之间Lx 的位置上的光强为：

移入：

${E_x}^{T1}=T_1{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}---\left(3\right)$

移出：

${E_x}^{T1}=\frac{1}{T_1}{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}---\left(4\right)$

依次类推，加入或移出N个中性滤光片Lx处的光强为：

移入：

${E_x}^{T_N}=T_1{T}_2...T_N{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}---\left(5\right)$

移出：

${E_x}^{T_N}=\frac{1}{T_1{T}_2...T_N}{E}_1\frac{{L_x}^2}{{L_1}^2}---\left(6\right)$

式中：T₁、T₂、…T_N、分别为第1、2、…N个滤光片的透过率，

因此，只要准确测出T₁、T₂、…T_N、L₁、L_X即可得到准确的光强E_X值。

脉冲氙灯每次闪光光强的差异(一般在3％以内)可以通过测量监测太阳电池的短路电流 予以修正：

$I_{\mathrm{SC}}=I_1\left(\frac{I_{\mathrm{MR}}}{I_M}\right)---\left(7\right)$

式中：I₁——实测的被测太阳电池的短路电流；

I_SC——修正后的被测太阳电池的短路电流；

I_M——实测的监测太阳电池的短路电流；

I_MR——当标准太阳电池的短路电流等于其标定值时的1个太阳常数光照条件下，测 得的监测太阳电池的短路电流。

如果太阳电池在光强分别为E₁和E₂时测得的短路电流经过修正后分别为I_SC1、I_SC2，则 该太阳电池的线性度由下式得到：

$\sigma =(\frac{I_{\mathrm{SC}2}/E_2}{I_{\mathrm{SC}1}/E1}-1)\times 100\%---\left(8\right)$

由计算机控制的光源输出能量控制电路控制脉冲氙灯的闪光时间和光强；由计算机控制 的数据采集处理电路在闪光期间同时采集监测太阳电池的短路电流、标准太阳电池的短路电 流和被测太阳电池的短路电流或开路电压数据；由计算机控制的机械位移控制电路分别控制 与温控测试台和中性滤光片连接的步进电机，控制温控测试台的位移和中性滤光片从光路中 的移入和移出；由计算机控制的温控电路监控温控测试台上的被测太阳电池和标准太阳电池 的温度变化。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造， 但不以任何方式限制本发明创造，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其 均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。