6、太阳能电池测试FAQs
如何测试太阳能电池？
测试太阳能电池通常是为了弄清楚以下一项或多项参数：
1. 响应度：我们从太阳能电池中获得的电流与输入的光功率相比有多少。这是特定于光的波长或颜色的，通常绘制为曲线。这通常使用通过斩波器的宽带光源（以便在检测器上很容易看到其贡献）以及允许选择和扫描光波长的单色器来执行。最后，白色偏光（通常是太阳模拟器）照亮样品，以确保在阳光条件下测量性能。更多信息，请参阅测量太阳能电池响应度
2. 外部量子效率：电荷载体与照射在材料上的光子（光粒子）的比率。这可以从响应度中计算出来。详细信息，请参阅测量 EQE。
3. IV 响应：太阳能电池的电流 (I) 和电压 (V) 特性使研究人员能够了解将达到最大功率的设置。这通常使用四线开尔文探头来完成，其中电流可以与电压分开测量，这样探头本身的电阻就不会影响测试。施加一系列电压，然后测量太阳能电池可以产生的电流，最终产生 IV 响应曲线。更多信息，请参阅测量太阳能电池的 iv 特性。
4. 效率：这是衡量太阳能电池将阳光转化为能量的能力的指标，可以使用以下等式计算。请注意，这需要知道最大功率点，这意味着必须首先测量 IV 响应。
Im 是最大功率时的电流，Vm 是最大功率时的电压，Ps 是太阳光照射在电池上的功率。更多信息，请参阅测量太阳能电池效率。
有时，制造商或研究人员想要估计其太阳能电池的电路模型参数，这需要超出上述步骤以外的额外步骤。更多信息，请参阅光伏太阳能电池模型。
如何测试单晶太阳能电池？
因为单晶太阳能电池是最常见的，上面描述的测试方法实际上是考虑到这些而编写的，所以过程是相同的。
测试的关键是测得的 IV 响应必须覆盖被测设备 (DUT) 的整个范围。也就是说，在4线测试期间施加电压的系统都需要具备全电压范围的能力。此外，测量的电流输出需要能够步 DUT 的全电流输出。这些范围将因设备制造商、源材料和太阳能电池尺寸而有很大差异。
如何测试钙钛矿太阳能电池？
同样，上述测试方法适用于任何类型的太阳能电池。在每种情况下不同的是 IV 特性曲线。
测试的关键是测得的 IV 响应必须覆盖被测设备 (DUT) 的整个范围。也就是说，在4线测试期间施加电压的系统都需要具备全电压范围的能力。此外，测量的电流输出需要能够同步 DUT 的全电流输出。这些范围将因设备制造商、源材料和太阳能电池尺寸而有很大差异。
如何使用灯测试太阳能电池？
有关完整方法，请参阅第一个常见问题“如何测试太阳能电池”解答。如果使用更高质量的太阳模拟器，给定太阳能电池测试的结果会更准确，因为它更好地代表全光谱太阳光，这意味着数据将更能代表其在现实条件下的性能。
如何进行 IV 曲线测试？
通常使用4开尔文探头测量电压和电流，它可以独立测量电流和电压，且它的电阻不会影响实际测量。这是因为电流有一条单独的路径（通过电流表或电流测量探头）流动，从而最大限度地减少通过电压探头的电流，从而最大限度地减少电压探头本身电阻上的电压降。
通常，在 IV 测试中，在太阳能电池上施加电压，然后测量太阳能电池可以产生的电流。对一系列点重复此过程，最终生成 IV 曲线。
有关详细信息，请参阅测量 IV 特性。
什么时候应该进行 IV 曲线测试？
如果您正在研究或制造太阳能电池，则越早测量 IV 参数越好。因为从这些 IV 参数可以计算出整体电池效率，以及分流电阻和串联电阻等其他参数，所有这些都可以反映出设备内部发生的物理情况，以及如何作针对性改进。有关电路模型和参数含义的更多信息，请参阅太阳能电池的工作原理。
由于硅太阳能电池系统的成本持续下降（参见“什么是光伏”部分中的Swanson定律图），因此研究人员必须快速准确地获取电池数据，以便有针对性地开展工作并反馈到市场。有关硅经济学和研究的这种相互作用的更多信息，请参阅硅经济学。
如何测量太阳能电池的电荷载体密度？
电荷载流子密度是每单位体积的电荷载流子的数量。这不是太阳能电池特有的，而是适用于任何半导体。它指的是多数载流子的数量（在N型半导体中）或空穴的数量（在P型半导体中）。
电荷载流子密度通常可以通过霍尔效应测量。当磁场作用于流动的电流时，就会发生霍尔效应，从而产生垂直于运动方向的力。结果是与电流垂直的霍尔电压，如下所示。
霍尔电压的测量可以通过以下方式与电荷载流子密度相关：
产生的霍尔电压等于
其中I是电流，B是磁场，n 是电荷载流子密度，d是样品厚度，q是电子的电荷。上述方程可以重新排列为电荷载流子密度：
因此，要确定电荷载流子密度，您需要：
施加垂直于电流的已知磁场。
测量电流。
测量霍尔电压（垂直于电流）。
测量厚度。
然后上面的方程可以用来计算电荷载流子密度。请注意，如果有不止一种类型的载流子，电荷移动过程就不是那么简单，而需要更复杂的方程。但是，上述计算可能是一个有用的起点。
如何测量太阳能电池的电流密度？
电流密度定义为太阳能电池每单位面积的电流。如果可以测量电流，那么只需除以太阳能电池的有效面积即可，通常以mA/cm2为单位。然而，面积的测量可能会很棘手，因为您必须确保排除被太阳能电池前线覆盖的区域，并酌情包括或排除边缘。
您如何测试太阳能电池的效率？
首先，您需要了解相关太阳能电池的电流 (I) 和电压 (V) 特性，即IV特性。太阳能电池的 IV 特性使研究人员能够了解可以达到最大功率的设置。这通常使用4开尔文探头来完成，其中电流可以与电压分开测量，这样探头本身的电阻就不会影响测试。施加一系列电压，然后测量电流，最终产生 IV 响应曲线。更多信息，请参阅测量太阳能电池的 iv 特性。
获得 IV 响应曲线后，您可以确定将实现太阳能电池最大输出功率的电流 (Im) 和电压 (Vm) 设置。然后可以使用以下公式计算效率，这是衡量太阳能电池将阳光转化为能量的能力指标。请注意，它还需要了解 Ps，即入射阳光的功率。
更多信息，请参阅测量太阳能电池效率。
为什么我们要在黑暗中测试太阳能电池？
因为每个光伏太阳能电池基本上都是一个半导体二极管，所以我们可以通过将黑暗中的电流和电压 (IV) 曲线的形状与光照条件下的相同曲线进行比较来深入了解设备的行为。照明也可能是噪声源，会在太阳能电池二极管参数的测量中引入不确定性，因此排除光照进行测量会更准确。然后可以有效地分离和追踪光照和黑暗条件之间二极管参数的任何差异。
需要注意的是，许多暗与亮比较是基于假设两条曲线仅因光产生的电流而移动，而当电流以相反的方向流动时，接触电阻在这两种情况下可能会发生变化。
有关不同参数的更多信息以及它们与太阳能电池内部硬件的关系，请参阅太阳能电池的工作原理。
为什么硅是最常用的太阳能电池？
硅可以从沙子中提取，这意味着它非常普遍。它还利用了许多用于微处理器和集成电路（例如，用于计算机和其他数字设备）的相同制造工艺。最后，它的带隙（价电子和传导电子之间的能量差）接近太阳辐射的峰值，这意味着它可以利用入射到其上的大部分阳光来发电。有关太阳能电池替代材料的更多信息，请参阅所用材料概述。
此外，我们的 IV 采集卡允许同时捕获和扫描太阳能电池参数，因此研究人员可以快速表征他们的设备并生成标准曲线，而无需使用多种工具或软件。
最后，我们的设备提供了测量光谱分辨响应度(SRR)的可选功能——低分辨率EQE模块。SRR单元能够测量仪器中使用的LED波长下的光谱响应度或量子效率。
此功能可用于研究设备中不同吸收材料的特性，或测量多结太阳能电池中不同结的性能。
这些附加信息对于评估设备是否符合规格以及可能需要额外开发的地方至关重要。
如果您是该领域的研究人员，请联系我们以了解更多关于我们的太阳能模拟产品如何帮助您获取有关您的光伏设备的最佳数据的信息。
光伏文献摘要
太阳能电池材料在研发过程中更早地进行高质量、准确的测量是非常重要的，这样可以带来：
– 更有效地利用研发资源，因为可以避免错误的启动
– 研究阶段的准确反馈将有助于及早改进工艺和材料，从而使开发更加顺利 – 更少走歪路带来更迅速的开发
随着人类对能源的需求不断增长，减少导致全球变暖的排放也越来越需要。需要多管齐下的解决方案。光伏或太阳能技术是一种快速发展的可再生能源，预计将在我们的能源未来中发挥重要作用。尽管太阳能具有清洁、便携和高功率密度的优势，但要最大限度地发挥其潜在优势仍然存在一些挑战。通过快速准确的研究和测试更好地了解光伏发电对于释放太阳能的潜力至关重要。
光伏电池的核心是一个半导体二极管，其传导和价能带之间的差异与入射太阳光的峰值能量相匹配。光粒子或光子可以在光伏电池中产生电子-空穴对。由于半导体的结电位，电子会通过外部电路，我们就通过这种方式从阳光中发电。这整个过程被称为光伏效应。
用于太阳能电池的第一种材料是 1954 年的硅，至今仍是主导技术。虽然硅的带隙对于太阳能吸收来说几乎是理想的，但它具有间接带隙，导致能量吸收系数较低。此外，虽然硅晶体生长的制造技术从微电路行业的进步中受益匪浅，但有人认为，还应该寻找制造成本更低的新材料。
存在多种硅太阳能电池的替代品，包括吸收更多太阳光的多结太阳能电池、III-V 族半导体、薄膜太阳能电池、钙钛矿、有机太阳能电池和石墨烯。材料科学及其与光相互作用的方式各不相同。
由于硅的每瓦能源成本持续下降，任何从事光伏研究的人都面临着与成熟的低成本市场领导者竞争的艰巨挑战。
因此，为了使他们的努力奏效，他们需要在研发工作中提早发现错误，提高研发的效率。
G2V的太阳模拟器可以提供光源来测试光伏器件。结合我们的IV测试系统，可以测试太阳能电池并提取关键参数，以发现可能需要进行哪些改进。有多种模型和方法可用于提取参数并显示器件内发生的物理现象。我们在文章中总结了一些，包括在我们的软件中使用的功能，但是如果您产品有任何要求，请随时联系我们。
参考资料
Alternative Energy Tutorials. (2019, August). Solar Cell I-V Characteristic and Solar I-V Curves. Retrieved from Alternative Energy Tutorials
American Chemical Society. (n.d.). Energy from the Sun. Retrieved September 4, 2019, from ACS Climate Science Toolkit
Barbarino, M. (2018, September 19). Fusion Energy in the 21st Century: Status and the Way Forward. Retrieved from IAEA News
Born to Engineer. (2017, August). What are the Most Efficient Forms of Renewable Energy. Retrieved September 4, 2019, from Born to Engineer
Brain, M. (n.d.). How Semiconductors Work. Retrieved September 3, 2019, from HowStuffWorks
Branson, J. (2013, April 22). Black Body Radiation. Retrieved from Quantum Physics 130 Notes
Burns, C. (2008, December 17). Solar Powered Solar Panel Sun Glasses. Retrieved September 4, 2019, from Yanko Design
Cao, Y., Liu, Y., Zkeeruddin, S. M., Hagfeldt, A., & Gratzel, M. (2018, June 20). Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics. Joule, 2(6), 1108-1117. doi.org
Coates, E. (n.d.). Introduction to diodes. Retrieved September 3, 2019, from Learnabout Electronics
Commonwealth of Australia. (n.d.). Greenhouse Effect. Retrieved September 4, 2019, from Understanding Climate Change
Cotal, H., Fetzer, C., Boisvert, J., Kinsey, G., King, R., Hebert, P., . . . Karam, N. (2009). III-V multijunction solar cells for concentrating photovoltaics. Energy & Environmental Science, 174-192. Retrieved from pdfs.semanticscholar.org
Editors. (2013). Newcomer Juices Up the Race to Harness Sunlight. Science, 342(6165), 1438-1439. doi.org
Elert, G. (n.d.). Blackbody Radiation. Retrieved September 4, 2019, from The Physics Hypertextbook
Energy Information Administration. (2009). Annual Energy Outlook 2009 With Projections to 2030. Washington, DC: U.S. Department of Energy. Retrieved from large.stanford.edu
Gamry Instruments. (n.d.). DSSC: Dye Sensitized Solar Cells. Retrieved September 4, 2019, from Gamry Instruments Application Notes
Green Rhino Energy. (n.d.). Concentrating Photovoltaics (CPV). Retrieved September 3, 2019, from Green Rhino Energy
Green, M. A., Dunlop, E. D., Levi, D. H., Hohl-Ebinger, J., Yoshita, M., & Ho-Baillie, A. W. (2019, July). Solar cell efficiency tables (version 54). Progress in Photovoltaics, 27(7), 565-575. doi.org/10.1002/pip.3171
Gunam. (n.d.). GUNAM – Center for Solar Energy Research and Applications. Retrieved September 3, 2019, from Gunam
Harper, D. (n.d.). solar (adj.). Retrieved September 4, 2019, from Online Etymology Dictionary
Honsberg, C., & Bowden, S. (2019). Retrieved from Photovoltaics Education Website
Hoppe, H., & Sariciftci, N. S. (2004). Organic solar cells: An overview. Journal of Materials Research, 19(7), 1924-1945. doi.org/10.1557/JMR.2004.0252
IEA. (2018). Global Energy & CO2 Status Report. International Energy Agency. Retrieved September 4, 2019, from iea.org/geco
Intergovernmental Panel on Climate Change. (2018). Global warming of 1.5 degrees C. Switzerland: IPCC. Retrieved September 4, 2019, from report.ipcc.ch/sr15/pdf/sr15_spm_final.pdf
IRENA and IEA-PVPS. (2016). End-of-life management: Solar Photovoltaic Panels. International Rewable Energy Agency (IRENA). Retrieved September 4, 2019, from irena.org/publications/2016/Jun/End-of-life-management-Solar-Photovoltaic-Panels
Jacoby, M. (2016, May 2). The future of low-cost solar cells. Retrieved from Chemical & Engineering News
Jordehi, A. R. (2016q). Parameter estimation of solar photovoltaic (PV) cells: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 61, 354-371. doi.org/10.1016/j.rser.2016.03.049
Juno Publishing and Media Solutions Ltd. (2012, December 10). Sharp claims record 37.7% efficiency for non-concentrator solar cell. Retrieved from Semiconductor Today
Kashyap, S. (n.d.). Retrieved September 3, 2019, from Satish Kashyap
Krishnan, A. (2017, January 9). Understanding Current-Voltage Curves of Non-Linear Devices. Retrieved from All About Circuits
Kuphaldt, T. R. (n.d.). Lessons in Electric Circuits – Calculating Electric Power. Retrieved September 4, 2019, from All About Circuits
Lim, E. L., Yap, C. C., Jumali, M. H., Teridi, M. A., & Teh, C. H. (2018). A Mini Review: Can Graphene Be a Novel Material for Perovskite Solar Cell Applications? Nano-Micro Letters, 10(27), 1-12. doi.org/10.1007/s40820-017-0182-0
Lin, C.-C., Chen, H.-C., Tsai, Y. L., Han, H.-V., Shih, H.-S., Chang, Y.-A., . . . Yu, P. (2012). Highly efficient CdS-quantum-dot-sensitized GaAs solar cells. Optics Express, 20(S2), A319-A326. doi.org/10.1364/OE.20.00A319
Martin-Palma, R. J., & Lakhtakia, A. (2013). Chapter 15 – Vapor-Deposition Techniques. In Engineered Biomicry (pp. 383-398).
Mele, E. (2019, June 5). Structure – Zinc Blende (ZnS). Retrieved from Chemistry LibreTexts
Meroli, S. (2019, September 3). Czochralski vs Float Zone: growing mono-crystalline silicon. Retrieved from Stefano Meroli: Life of an engineer at CERN
Morris, M. (2003). Electron-hole pair (EHP) generation. Retrieved from Semiconductor theory
NASA. (n.d.). Climate Change: How Do We Know? Retrieved September 3, 2019, from Global Climate Change: Vital Signs of the Planet
National Programme on Technology Enhanced Learning (India). (2019, June 5). The Octet Rule. Retrieved from Chemistry LibreTexts
Nature, V. E. (2013). 365 days: Nature’s 10 – Ten people who mattered this year. Nature. Retrieved September 4, 2019, from nature.com
Nave, R. (n.d.). Doped Semiconductors. Retrieved September 3, 2019, from HyperPhysics
Nelson, J. (2003). The Physics of Solar Cells. London, UK: Imperial College Press. Retrieved from worldscientific.com
Nicol, W. (2018, November 15). What is graphene? Retrieved September 23, 2019, from Digital Trends: Emerging Tech
NREL. (n.d.). Best Research-Cell Efficiency Chart. Retrieved September 4, 2019, from NREL Photovoltaic Research
NREL. (n.d.). The History of Solar. Retrieved September 4, 2019, from US DOE Energy Efficiency and Renewable Energy
O’Regan, B., & Gratzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 353, 737-740. Retrieved from nature.com
Partain, L., Hansen, R., Hansen, S., Bennett, D., Newlands, A., & Fraas, L. (2016). ‘Swanson’s Law’ plan to mitigate global climate change. 2016 IEEE 43rd Photovoltaics Specialists Conference (PVSC). doi.org/10.1109/PVSC.2016.7750284
Paschotta, R. (n.d.). Band Gap. Retrieved September 4, 2019, from RP Photonics Encyclopedia
Service, R. F. (2018, April 23). Solar cells that work in low light could charge devices indoors. Retrieved September 4, 2019, from Science
Shockley, W. (1922). The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors. The Bell System Technical Journal, 28, 435-454. Retrieved September 4, 2019, from archive.org
Shockley, W., & Queisser, H. (1961). Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics, 32. doi.org/10.1063/1.1736034
Solar Cell Central. (n.d.). P/N Junctions and Band Gaps. Retrieved September 3, 2019, from Solar Cell Central
Solar Cell Central. (n.d.). Solar Efficiency Limits. Retrieved September 3, 2019, from Solar Cell Central
SparkFun. (n.d.). Diodes. Retrieved September 4, 2019, from SparkFun Electronics
Study.com. (n.d.). Incident Ray: Definition & Overview. Retrieved September 4, 2019, from Study.com
Sustainia. (2016, November 3). Global Challenge, Global Solutions: Thin-Film Solar Cells. Retrieved from Global Daily
The Editors of Encyclopaedia Britannica. (n.d.). Photoelectric Effect. Retrieved September 4, 2019, from The Encyclopaedia Britannica
The Editors of Encyclopaedia Britannica. (n.d.). Photovoltaic effect. Retrieved September 4, 2019, from The Encyclopaedia Britannica
The International Energy Agency (IEA). (2018). World Energy Outlook (WEO) 2018. IEA. Retrieved from webstore.iea.org
The Physics Classroom. (n.d.). Charge Interactions. Retrieved September 4, 2019, from Static Electricity – Lesson 1 – Basic Terminology and Concepts
The World Bank. (201). Life expectancy at birth, total (years). Retrieved from The World Bank Data
The World Bank. (2017). Number of infant deaths. Retrieved from The World Bank Data
The World Bank. (2018). GDP (current US$). Retrieved from The World Bank Data
Tokyo Chemical Industry UK Ltd. (n.d.). Organic Solar Cell (OPV) Materials. Retrieved September 4, 2019, from Tokyo Chemical Industry UK Ltd – Materials Science
Top Alternative Energy Sources. (n.d.). The Czochralski Process. Retrieved September 3, 2019, from Top Alternative Energy Sources
United Nations. (2018, October 22). The Paris Agreement. Retrieved from United Nations Framework Convention on Climate Change
University of Cambridge. (n.d.). Direct and Indirect Band Gap Semiconductors. Retrieved September 4, 2019, from Teaching & Learning Packages Library – Introduction to Semiconductors
University of Oxford . (2016, October 5). Non-toxic solvent removes barrier to commercialisation of perovskite solar cells. Retrieved from University of Oxford News
Weinberg, I., & Brinker, D. J. (1986). Indium Phosphide Solar Cells – Status and Prospects for Use in Space. NASA. San Diego: 21st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (IECEC). Retrieved September 4, 2019, from ntrs.nasa.gov
Wikipedia. (n.d.). Amorphous Silicon. Retrieved September 4, 2019, from Wikipedia
Wikipedia. (n.d.). Cadmium Selenide. Retrieved September 4, 2019, from Wikipedia
Wikipedia. (n.d.). Shockley-Queisser Limit. Retrieved September 4, 2019, from Wikipedia
William Shockley, H. J. (1961). Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics, 32(3). doi.org
|
|
FocusMicro Metatech（Shanghai）CO.,Ltd
