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电气自动方式赫尔曼,Marko Jankovec, Marko Topič, ”最优电流-电压曲线扫描的太阳能电池和模块的辐照度水平”,国际期刊的Photoenergy, 卷。2012年, 文章的ID151452年, 11 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/151452
最优电流-电压曲线扫描的太阳能电池和模块的辐照度水平
文摘
高效太阳能电池和模块中表现出很强的电容特性导致有限的速度瞬态响应。一个太快电流-电压曲线测量可以引入一个重要的错误由于其内部参数。本文分析了电流-电压曲线误差测量太阳能电池或模块的扫描时间和辐照度水平。它取决于two-diode太阳能电池模型延长两个bias-dependent参数建模结,扩散电容。方法测定的准静态扩展的模型参数电流-电压提出了曲线和开路电压衰减测量和验证。扩展模型的适用性和开发的光伏模块参数提取方法是证明和证实。香料模拟模型用于获得延长电流-电压曲线和扫描时间依赖性和错误电流-电压磁滞曲线。确定最优扫描时间解决,最后上的辐照度水平的影响电流-电压曲线扫描时间和错误显示。该方法应用但不限于三种不同wafer-based硅太阳能电池类型。
1。介绍
的电流-电压曲线测量是一个重要的性能表征技术对太阳能电池和模块两端直流发电机。在黑暗或照明下,测量的概念很简单:在扫描的终端测试设备(DUT)开路短路或反之亦然,电压和电流应在准静态条件下测量。它可以错误地认为,光伏发电机内部电容展览可以忽略不计。特别是最后一代薄膜太阳能电池(SCs)和高效晶体硅SCs表现出极高的内部参数(1]。内部电容的串联、并联、微分电阻和二极管组成一个RC电路,介绍了瞬态时间常数测量过程。时间常数决定了准静态条件。其大小取决于各种参数如操作点(电压和电流)、温度、辐照度水平,少数载流子寿命和其他半导体参数只提及最重要的。
而席卷电流-电压从点对点的曲线,瞬态行为需要淡出前测量错误。电容器的电荷DUT需要平衡测量的每一点。一个不合适的电流-电压扫描时间可以引入到一个重大错误电流-电压测量。当目标误差保持在一个预定义的阈值,电流-电压曲线向下扫描时间是有限的,由SC的动态属性。另一方面,有几个因素确定扫描时间上限。最重要的是,扫描时间是由电流-电压曲线测量装置。电阻/是从汤姆斯曲线路径,定义的上限是安全操作区域(SOA)的负载(通常一个MOSFET)。电容曲线示踪剂,电容器的充电时间是固定系数的测量负载电容和DUT的当前功能。在室内测量,电流-电压曲线向上扫描时间是同质光脉冲的持续时间有限担保一个flash太阳能模拟器。下连续测量太阳能模拟器或在阳光下可以进一步遭受错误引起的辐射加热的标本2];因此,扫描时间不应太长。
总之,最优扫描时间应尽可能短但足够长的时间动态误差保持低于预定义的误差阈值。太短扫描时间可以很容易地检测到扫描曲线在两个方向3]:提出从短路电流扫描开路电压;与来。可以观察到磁滞展示真正的低估电流-电压曲线前进方向和高估在相反的方向(图1(一))。
(一)
(b)
由此产生的错误不能消除既不平均电流-电压曲线的电压也不总结错误(由给定的误差函数2(图)的扫描方向1 (b))。特别是,太短扫描时候,高是由于不匹配词,DUT的串联电阻。决定错误这个词在一个固定的时间常数的值变化在不同扫描方向(3]。此外,在一些情况下(容性或感性负载),全面的检测误差在两个方向上不适用;因此,确定所需的扫描时间和动态误差的特征是更重要的。
测量在太阳能模拟器是基于一个校准光源发出尽可能接近1000 W / m2中指定的标准测试条件(stc))4]。然而,在阳光下的测量,可以随广泛的辐照度水平。IEC 60409 - 10标准定义了扩展程序电流-电压曲线STC) (5),但影响的辐照度水平电流-电压测量误差或有需要不同的扫描时间吗?我们将处理这些方面寻求最佳的扫描时间。
磁滞和太阳能电池的电容特性的影响是众所周知的,报道3,6]。存在一些变化的动态模型,大多数作者使用one-diode模型包括一个或两个参数(1,6,7),而一个作者使用two-diode模型和两个参数(8]。没有给出模型在不同的太阳能电池技术应用和验证。我们之前的研究表明,two-diode模型应该用于最优萃取的结电容9]。本文的目的是分析电流-电压曲线误差测试太阳能电池或模块的扫描时间和辐照度水平。分析是通过香料仿真利用two-diode模型延长两个非线性bias-dependent电容器造型光伏发电机的动态特性。提出了扩展模型的参数提取的方法开发和评估。模型是否合适的特征不仅太阳能电池光伏模块是在理论和实践上讨论。扫描时间确定了一个算法,最后上的辐照度水平的影响电流-电压曲线扫描时间和错误显示。结果显示三种不同的太阳能电池的三种不同的技术:多晶硅(pc-Si)单晶硅(mc-Si)和背面接触式单晶硅(BC mc-Si)。
2。测量和建模方法
2.1。错误的决心
最优扫描时间之间的误差最小的时间参考曲线以真正的准静态条件和曲线的影响下瞬态误差不超过一个预定义的误差阈值。测定误差和参考之间的比较电流-电压曲线是一个重要的但微妙的过程,需要建立进行进一步分析。的比较电流-电压曲线由于跨度宽曲线的斜率是困难的从来。电流在等距差分电压间隔和电压差目前等距间隔是适当的。可能比较数量最大的峰值功率,尽管它只与单点曲线和不提供整个对齐信息电流-电压曲线。我们建议的方法提供电流-电压曲线比较,伴随同样加权误差曲线形式来。
让存储在参考曲线矩阵,让相比曲线存储在矩阵,表示当前,表示电压两列矩阵的列。错误来源于一个透视图的可用功率光伏发电机在指定的负载。点误差计算选为两个十字路口一个变量线性电阻负载特性和曲线相比较(th点在参考和th点在曲线相比,图2)。
可变电阻负载的特征被定义为。最重要的是,矢量是计算为每个点的对比曲线。定义的参考曲线离散;因此,插值是必需的。对于每一行通过,参考曲线的交点是插值(一阶)距离最近的点(和)和存储的矩阵。最后,可以计算误差向量的分量和点双: 在哪里和表示开路电压和短路电流的参考曲线。
错误的最大价值向量选择定性的比较因素获得信息之间的最大误差两条曲线通常出现接近最大功率点(也见图1)。
2.2。太阳能电池模型
扫描时间确定的概念是基于two-diode太阳能电池模型由两个平行的功放模型扩展的动态过程在太阳能电池(图3)。two-diode模型而不是更常见的one-diode模型需要更好的动态参数提取的准确性(9]。
该模型在图3由二极管和代表肖克利扩散直流和空间电荷复合电流,分别集中分流电阻,将串联电阻,结电容、扩散电容,photo-generated当前照明。二极管与饱和电流模型和二极管理想因素。
的参数和确定动态属性的SC在调查之中。假设突然- - - - - -或- - - - - -结,一个分析的近似来源于方程(10]: 在哪里是结电容电压为零,是国内太阳能电池电压,是内置的潜力。这样的压敏电容,尽管有限方法,到香料二极管模型实现。
的SC的关键组件的正向偏压动态角色,是少数电荷载体的结果存储在中立地区及其扩散能力。基地少数载流子寿命成正比吗。为(正向偏压太阳能电池)可以写成一个函数的温度、外加电压,载体寿命使用以下简化方程(10]: 在哪里是电子电荷,是有效的二极管基少数载流子寿命,是二极管正向直流电流。在电压范围,二极管的正向电流是几个数量级高于吗;因此,只有当前的二极管可用于(3)。
测量使用直接C-V测量加重是由于高的太阳能电池在正向偏压电流。更多的时候,计算(3),而一生使用下列方法之一:测量反向恢复(11),短路电流衰减(12),或开路电压衰减(过程)8]。在测量过程中,电荷存储在SC结构减少损失通过不同机制。的过程测量首先应用一个预定义的外部电流或电压(正向偏压)测试设备(DUT)。在,正向偏压突然关闭。电压衰减DUT的终端是测量电荷存储在DUT随时间减少。电压应尽可能接近DUT的监控,以避免错误造成的串联电阻的测量设置。
三个特征区域可以被定义在分析晶体硅的过程信号SCs(见图5对过程的形状不同的技术)13]:(我)由于集中串联电阻的电压降,(2)拟线性区域由于电荷存储在中立地区(扩散组件),(3)指数衰减,从扩散电容下降低于结电容。电荷存储在空间电荷区域释放通过重组过程和集中分流电阻。
与电流之间实现和静态two-diode模型参数确定,我们将提出一个方法来提取和过程参数的信号。
2.3。扩展模型参数提取
两个基本measurements-the电流-电压特点和过程信号所需的参数的确定扩展模型如图3。测量过程的信号没有照明,黑暗的准静态的方法给最好的结果电流-电压测量。只有photo-generated电流的提取光照下是必需的。
我们的测量由一个设置电流-电压曲线示踪过程和测量的设置。曲线示踪剂是由并联三个独立通道的两个吉时利SMU 2602单位。通道被配置为一个电压源确定测量电压,而另外两个通道被配置为电流源并联连接,延长当前范围的设置。所有与TSP链接通道是相互关联的,提供单一脚本输出控制。我们编程测量脚本启用自动测量多达9 V和最坏的电压测量精度0.035%,最坏的电流测量的准确性0.18% (14]。过程测量的设置是基于16位PCI6014采集卡控制开关和测量电压衰减。采样频率设置为200千赫的最坏的电压测量精度0.031% (15]。
测量照明下进行温度控制的平台上在新港类连续太阳能模拟器。优质条件得到满足;细胞调节体温维持在25°C, temperature-stabilized计量表(16,太阳辐照度的1000 W / m2是使用一个校准参考太阳能电池2%的准确率(17]。收购所需的测量后,算法首先提取two-diode静态模型参数(,,,,,从测量)电流-电压曲线。提取是基于一个方法了(18),实现进一步的改进优化动态模型的准确性。一个完全自动化的算法在MATLAB开发理解以下步骤。我。串联电阻的影响范围,二极管,二极管对输入电流-电压曲线确定。二世。串联电阻的和二极管理想因素提取使用一个双射变换和线性回归18]。内太阳能电池的潜力为进一步计算参数提取。三世。的二极管的饱和电流计算上的指数区域电流-电压曲线。derivative-free没有约束的单纯形搜索方法用于多变量最小获得最适合的19在选定的电压范围由曲线校准功能 在电压点模拟曲线计算的测量曲线。指数贯穿测量的点选择的电压范围。第四。当前的从总电流减去。两个二极管参数计算指数较低地区的剩余电流使用相同的derivative-free无约束单工多变量最小搜索方法。V。并联电阻的导数计算电流-电压曲线,减去的导数和特征(18]。VI。 电流参数重新计算新的目标。这两个和电流相减的总电流。七世。添加一个附加的步骤来调整二极管参数。和重新计算最小化误差范围,二极管的电流的大小相当。
一旦静态参数已知,我们进行提取的动态参数(为,为)。有效的一生可以从过程信号中提取使用方程(20.] 在哪里线性部分的斜率(区域2)过程的信号。在太阳能电池的情况下,扩散长度方法基础的长度,基极发射极电压衰减影响的耦合效应导致该地区二世偏离直线(20.]。提取从(5在这种情况下)是不可靠的。我们的方法使用(5)只对初始单纯形算法的近似。
的初始近似参数可以计算形式(2)考虑典型的半导体太阳能电池参数进行调查。更高的精度从过程信号的低偏差区域获得第三(地区),仅由指数衰减的。
一个没有约束的单纯形搜索优化算法用于多变量最小过程模拟和测量之间的误差最小化。获得最适合的和参数在同一时间。算法在MATLAB中实现,香料生成网表,并为每个优化步骤执行瞬态分析。误差测量和仿真计算并通过优化算法。提取算法应用到三个测试细胞的基本参数见表1收益率扩展two-diode模型参数表所示2与静态电流-电压RMS曲线调整因素。
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| *测量焊接丝带。 |
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2.4。提取方法和扩展模型的评价
一个精确的静态模型需要准确的动态参数提取。然而,没有直接的关系模型和参数的准确性。提出了参数表的准确性2不像动态参数不相关计算简单的静态参数。这是静态电流-电压曲线匹配好的过程仿真协议至关重要。我们可以展示好的静态电流-电压曲线模型模拟和测量结果之间的一致性,从而证明这种模型适用于使用太阳能电池的操作范围宽,见图4。伴随曲线校准均方根误差定义为(4)表中列出2和范围在0.0279到0.0491的三个案例。
的质量动态模型参数可以通过观察之间的对齐程度,先估计过程模拟信号和测量。不准确的动态或静态模型参数,模拟过程信号不匹配过程测量信号。图5显示了良好的一致性和高电压的微小偏差范围的mc-Si和BC mc-Si细胞。分析表明,该偏差是由于基极发射极耦合效应,不包括在动态模型。
依赖注入的少数载流子寿命水平,尤其是在高注入水平。然而,在范围从0.2到1,太阳辐照度硅基太阳能电池在低注入政权,在一生中不发生显著的变化(21]。来验证假设,所有测试细胞过程的初始电流测量6、4、2使用参数提取和比较模拟短路电流在STC(表2)。模拟在平等的条件下进行的测量,和对齐与对齐如图5。,我们可以假设一个恒定的少数载流子寿命可以用来分析辐照度的影响范围从1100 W / m2200 W / m2。
为了进一步评估、错误数之间的关系电流-电压扫描与不同扫描速度与较慢的瞬态参考扫描对比测量和仿真。一种简单的方法来改变的扫描时间电流-电压曲线扫描的来是不同的电容电容性负载。在,功率MOSFET DUT连接负载电容。负载电容开始充电的起始电流有限的串联电阻测量电路包括负载电容的串联电阻。补偿电阻,实现短路电流,一个小-初始进料前应用于负载电容测量。在电流-电压曲线扫描,DUT的电流和电压测量采集接口的使用两个渠道。
进行了一系列的测量和模拟三个细胞。图6提出了一些他们的mc-Si细胞(测量B是省略了更好的可读性的图表)。负载电容值,扫描时间和模拟和测量的误差如表所示3。
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| *s / n比率过低对准确错误的决心。 |
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测量和模拟之间的协议是在可接受的公差0.1%的异常测量C和D的BC mc-Si细胞。太阳能电池与扩散长度接近基地遇到的实际长度基极发射极耦合效应,减少的准确性模型。所选的模型会导致太阳能电池这样的错误是高估了。偏差出现在更高的误差值和扫描时间短,而在测量B,在误差值为1.4%,测量和模拟之间的失配误差仍在0.1%。
在电容电流-电压曲线测量,以及在半导体/电阻测量、扫描速度几乎没有影响。太阳能电池的动态误差表现在低电压阅读DUT终端。在附近地区的电压不匹配只在低质量的检测细胞,分流电阻产生很大电流的斜率。普通质量的细胞,即使电压不匹配存在,这是由于几乎检测不到常数电流-电压曲线斜率附近。的另一方面是在半导体/电阻曲线示踪系统强烈影响,但不影响电容型示踪系统。随着电容器达到其最高,目前的速度减少,和瞬态误差逐渐消退。因此,我们只能观察扫描速度的影响表所示3。正如预期,并不影响pc-Si细胞有轻度动态特性,而在公元前mc-Si细胞由于表示扩散电容,测量的最大力量最快扫描速度明显降低。
2.5。广义PV模块模型
光伏模块通常由单个细胞串联连接。一个等价的广义模型可以PV模块引入模型电流-电压使用少量的电路参数特征(22]。一般来说,太阳能电池模块内的特点应该尽可能相似的获得最好的组件效率;因此,广义的理论模型假定一个PV模块构造平等的细胞连接在系列。广义one-diode静态模型特点写如下(22]: 在指数表示数量指的是模块。广义模型=二极管模型的因素。同样如果一个two-diode模型。
从理论上讲,总模块电容。结电容的电压等于零在相同的细胞。对于不恒等的细胞的,总=并行连接的个人值。
从(3)和(6),假设平等所有细胞的可以表示为 对于光伏模块。正如所料,少数载流子寿命的值保留一个单细胞的价值,而总电容减少的因素。
与访问所有测试模块之间互连的单个细胞(建造4单晶硅SCs如图7)层压在我们的实验室。验证方法的动态参数提取的光伏模块通过分布进行了动态组件的模块。图8显示单个细胞的过程测量、过程的总和个人测量,将测量整个模块。
非常好的协议过程和模块和响应只与偏差扫描观察。这个偏差源自母线的串联电阻用于接触细胞相互连接。实际模块的串联电阻的决定电流-电压测量和正确地考虑动态参数提取方法。模块的过程信号等于SCs的个人反应的总和;因此,在每个太阳能电池光伏模块的过程信号的贡献份额总内部电容电荷成正比。光伏模块的过程信号可以被用来提取和参数,应该等于个人的并联值,应该等于个人的平均值值。个人的价值观和然而,不应该互相分歧相当。
表4显示的结果参数提取方法应用于单个细胞和模块。大多数结果计算出单个细胞是在良好的协议与理论。的差异可以解释通过额外的阻力母线长度要求单个细胞接触。第二个差异,发现,是由细胞4参数不幸的是小得多的比其他细胞。在这样的情况下,有效的不是由最小的价值。
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然而,提取的动态参数确定的预期范围内宽容,和提取过程可用于确定光伏模块的广义two-diode模型当细胞具有类似的特性,这种情况在所有高效的光伏模块。
3所示。扫描时间确定
单个细胞的最小扫描时间或在一个预定义的光伏模块错误阈值可以由一系列的瞬态的迭代算法电流-电压曲线模拟。DUT的动态模型是用来模拟参考和对比曲线。席卷操作点的参考曲线模拟(OP)分析消除电容效应,而相比曲线模拟使用瞬态分析。在MATLAB数值计算和网表代处理,而香料在MATLAB执行电路模拟(图9)。
在测定的过程中最大可容忍的预定义的误差阈值,其他的来源电流-电压曲线误差以及所需的扫描时间的比率电流-电压应考虑曲线误差。据报道,专业实验室能够实现电流-电压曲线测量不确定性从1.6%到3% (3]。也在图10,我们可以观察到一个quasiexponential减少误差和扫描时间导致很长的扫描时间误差阈值较低。预定义的测定误差很大程度上取决于测量的目的。保持至少3倍低于其他的不确定性,避免太长时间扫描(图10),预定义的误差阈值被设定为0.5%。女士女士呈现最佳扫描时间是2.2,7.3,和43.8 pc-Si女士,mc-Si,分别和BC mc-Si太阳能电池。
4所示。辐照度的影响程度
4.1。实验背景和期望
研究辐照度的影响扫描时间,RC时间常数清扫时,耽误了电流-电压从点对点的曲线,应计算。在正向偏压,占据了总细胞电容,电流通过是微不足道的。当清扫电流-电压使用电压源曲线,时间常数的定义是 在哪里,,微分电导的二极管吗在邻近点之间。下面的方程可以推导出使用简化的方程和(10)和假设: 电流流过二极管吗(图3),是热电压。方程(9)意味着与二极管电流时间常数略有增加。当前的之间的区别是photogenerated电流和电流的设备终端()。在,在那里,减少辐照度收益率较低的时间常数,因此小瞬态错误。
的趋势可以观察到在阶跃响应的测量设备。一个模拟,时间常数最大,一步振幅为0.01 V,一直在执行不同的电流。横扫是用来模拟辐照度的变化。静止条件已经建立了一个大型电容器串联电压源与步骤。
模拟图11证实了(9)。降低辐照度收益率较短的一步反应和较短的时间常数。乍一看,时间常数的减小也应该减少电流-电压曲线误差。然而,如下,瞬态错误不仅仅是时间常数。
4.2。辐照度的影响上电流-电压曲线误差
瞬态误差的来源介绍了时间常数的电容。当电路中电容存在,除了有几个因素影响的大小错误的时间常数。(我)的持续时间电流-电压扫描严重影响错误:每次负载变化,电容充电需要平衡的。直接取决于瞬态误差顺向扫描点之间。当涉及到相同的扫描算法,重要的是扫描的总时间来,无论点的数量。(二)电流-电压曲线扫描算法:实现一个同质的密度电流-电压曲线点是一个常见的问题。恒定电流(或电压)一步收益率近似等距点分布的最大功率点(或),只有少数点另一个方向。不同的方法被用来获取沿着曲线的等距点分布对数电压等步骤中,电压和电流步进相结合,动态适应性强的计算步骤。无论使用哪种方法,都有所不同在整个电流-电压曲线。(3)最后,错误的决心也影响的方法电流-电压曲线误差:严格考虑到时间常数,这两点应该选择比较的同时测量。然而,电流-电压曲线不包含时间信息相比,必须根据平等的电力供应。此外的直接比较两条曲线在不同辐照度由于修改的是不可能的,,整个曲线路径。
错误从而确定使用方法部分2瞬态模拟和准静态操作点分析(理想的参考电流-电压曲线)。每个DUT的扫描时间确定在标准电话预定义的误差阈值的0.5%。辐照度的变化模拟模型通过photogenerated变化的电流。
的电流-电压曲线误差与辐照度下的所有三个细胞测试(图12)令人惊讶的收益率反向误差/辐照度依赖的结果。执行扫描速度高密度恒压一步排除误差产生的来源。虽然时间常数随辐照度减少,误差,因此最优扫描时间适度增加。相反的趋势源自计算相对误差值。的影响和可以单独评估。首先,我们关注当前的相对误差计算。在辐照度下降,目前的绝对误差稍微减少由于下降(9)。相对误差计算的是除以短路电流,这也与辐照度降低。假设,的减少更快速的减少成正比。因此,整体误差与辐照度增加,尽管时间常数减少。实际的错误中定义(1)是一个综合的相对误差和相对电压误差。开路电压变化只有辅修观察辐照度范围;因此,错误的趋势与辐照度主要反映了相对流的趋势与辐照度。
的所需的输出误差函数当然是一个相对的价值电流-电压误差曲线误差,适度增加较低辐照度水平在扫描时应考虑确定过程中,特别是在户外监测站点。在范围的三个测试细胞不同的硅技术,误差最大相对偏差为32%的多晶硅太阳能电池在辐照度水平200 W / m2相比1100 W / m2。
5。结论
一种最佳方法电流-电压曲线扫描时间的确定太阳能电池和模块给出了基于扩展two-diode模型。一个算法获得的参数提出了从两个简单的测量模型,一个电流-电压扫描过程和一个信号,介绍了。新引入的误差确定函数是用来估计之间的不匹配电流-电压曲线。在不同方面可容忍的预定义的决心电流-电压曲线误差阈值造成的光伏发电机的动态特性进行分析。预定义的误差阈值作为基地的最佳扫描时间的决心。提出了提取方法应用但不限于不同wafer-based太阳能电池和模块。验证是通过使用款电容电流-电压曲线测量,不同扫描时间是通过负载电容的变化。提取方法给好的结果,而仍然有一些空间动态模型的改进(光伏发电机少数载流子寿命高)。电流-电压曲线误差和扫描时间依赖关系进行了分析,在误差阈值的0.5%扫描时间偏离2.2 43.8女士女士dut不同的硅太阳能电池技术。因此,电容DUT的性格当然应该被视为前电流-电压曲线测量。
虽然电容和光伏发电机的时间常数减少辐照度减少,增加了错误是确定的。主要是由于电流相对误差,moderaterelative增长32%以上预定义poly-crystalline太阳能电池在0.5%的误差阈值测试是确定。当需要高精度测量,这样增加的错误会影响最终的测量。扫描时间应该是确定的最低预期辐照度水平或足够的阈值误差公差应考虑在辐照度的最高水平。
承认
作者想感谢所给予的财政援助斯洛文尼亚研究机构(P20197)。m·赫尔曼个人愿意承认斯洛文尼亚研究机构为他提供博士资助。
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版权
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