太阳能电池测量装置的制作方法

本公开内容涉及测量装置领域，特别涉及一种太阳能电池测量装置。

背景技术：

利用太阳能电池将太阳能源转换成电能是现今再生能源市场的主流。为了开发出更低成本且效率更高的元件，近年来，新材料与新式复合结构设计元件陆续被提出。例如，三五族合金混合基板、有机薄膜材料、金属穿透式背电极太阳能电池(metallization-wrap-through，mwt)以及异介质太阳能电池(heterojunctionwithintrinsicthin-layer，hit)等，相较于硅晶(c-si)太阳能产品，都具有低成本、柔性或高效率发电等优势。

然而，许多光电转换效率高的元件，诸如异介质太阳能电池等，其多层的结构也延伸出了后续的电容效应问题。举例来说，太阳光电元件在进行电流电压(i-v)曲线测量时，若基板材料或元件结构不属于单一材质，电容效应会导致电流电压曲线在靠近最大功率点(maximum-power-point，mpp)产生测量的误差。

目前解决上述电容效应的方式包括稳态光源照射、电阻参数模型建立或是暗电流测量等，但这些测量方式不仅耗时，且测量操作的程序繁琐。因此，如何能够针对此类太阳光电元件提供更快速且精准的测量，为本领域技术人员所致力的目标。

技术实现要素：

本公开内容提供一种太阳能电池的测量装置，可快速且精准的获取太阳能电池的特性曲线数据。

本公开内容的太阳能电池的测量装置用以测量太阳能电池以取得其特性曲线。此测量装置包括信号测量控制电路以及信号传递控制电路。信号测量控制电路用以输出至少一个控制信号，以控制其中的电阻电路提供测量阻値。信号传递控制电路包括至少一个路径分离电路，各路径分离电路用以提供至少两个信号传递路径，且所述的至少两个信号传递路径的信号传递方向不同。信号测量控制电路利用信号传递控制电路将所述的控制信号输出至电阻电路。

基于上述，本公开内容的太阳能电池测量装置利用信号传递控制电路将控制信号输出至电阻电路，并且在控制信号传递的过程中，利用路径分离电路将控制信号的充放电路径分离。如此一来，能够快速的切换电阻电路所提供的测量阻値，并且同时避免切换时因组件的内建电容等因素所造成的振荡效应，以快速且准确获取太阳能电池的特性曲线。

为让本公开内容的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的概要方块图；

图2为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的方块电路图；

图3为本公开内容实施例的路径分离电路的方块电路图；

图4为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的方块电路图

图5为本公开内容实施例的太阳能电池的等效电路图；

图6为本公开内容实施例的特性曲线拟合方法的流程图；

图7为本公开内容实施例的电流电压特性曲线的示意图。

符号说明：

100：测量装置；110、210：控制器；

120、220：电阻电路；130、230_1至230_16：路径分离电路；

240：信号隔离电路；250：信号放大电路；

bsc：反扫特性曲线；c：电容；

cs1至cs16：控制信号；d1：第一二极管；

d2：第二二极管；daqc：数据获取电路；

fsc：正扫特性曲线；i：输出电流；

im1至im16：阻抗电路；id：暗电流；

iph：光转换电流；opc：最佳化特性曲线；

proc：处理电路；q1至q16：晶体管开关；

r1至r16：电阻；re1：第一电阻；

re2：第二电阻；rs：串联电阻；

rsh：并联电阻；sp1：第一信号传递路径；

s610、s620、s630、s640、s641、s643、s645、s647：特性曲线拟合方法的步骤；

sp2：第二信号传递路径；v：输出电压。

具体实施方式

图1为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的概要方块图。请参照图1，本实施例的测量装置100用以测量太阳能电池sc以取得其特性曲线。在本实施例中，上述的特性曲线为太阳能电池sc的电流电压(i-v)特性曲线。测量装置100包括信号测量控制电路以及信号传递控制电路。信号测量控制电路包括控制器110以及电阻电路120。控制器110用以输出控制信号，以控制电阻电路120提供测量太阳能电池sc时所需的测量阻值。信号传递控制电路电性连接于信号测量控制电路以及太阳能电池sc之间，其包括至少一个路径分离电路130，各个路径分离电路130用以提供至少两个信号传递路径，并且所述的至少两个信号传递路径的信号传递方向不同。如此一来，信号测量控制电路可利用信号传递控制电路来将控制信号输出至电阻电路120。

在本实施例中，控制器100会输出控制信号，此控制信号会通过路径分离电路130来传递至电阻电路120。一般来说，当控制信号由低电位转变为高电位时，电流会流入电阻电路120；反之当控制信号由高电位转变为低电位时，电流会流出电阻电路120。因此，本实施例的路径分离电路130提供第一信号传递路径sp1以及第二信号传递路径sp2，以使电流以第一信号传递路径sp1流入电阻电路120，并且使电流以第二信号传递路径sp2流出电阻电路120。

在本实施例中，第一信号传递路径sp1的阻抗小于第二信号传递路径sp2的阻抗。也就是说，电流流入电阻电路120时的阻抗小于电流流出电阻电路120时的阻抗。然而，本公开内容并不限于此。在其他实施例中，所属领域技术人员可视需求地调整第一信号传递路径sp1以及第二信号传递路径sp2的阻抗。

图2为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的方块电路图。请参照图2，测量装置200的信号测量控制电路包括控制器210、信号隔离电路240、信号放大电路250以及电阻电路220。测量装置200的信号传递控制电路包括多个路径分离电路230_1至230_16。在本实施例中，控制器210、电阻电路220以及路径分离电路230_1至230_16的功能及配置类似于图1实施例中相同名称的元件，在此不再赘述。

在本实施例中，信号隔离电路240电性连接于控制器210以及信号放大电路250之间，并且信号放大电路250是电性连接于信号隔离电路240以及信号传递电路之间。

在本实施例中，信号隔离电路240用以将控制器210所输出的控制信号cs1至cs16分别传递至路径分离电路230_1至230_16。此外，信号隔离电路240还用以隔离从信号传递控制电路流向控制器210的反向电流，以避免反向电流损坏控制器210。所属领域技术人员当可理解为达上述目的的信号隔离电路240的具体实施方式，故不在此赘述。

附带一提的，在本实施例中控制器210是输出16个控制信号来控制电阻电路220提供信号测量阻值，但本公开内容并不限于此。在其他实施例中，视需求地(例如，控制器210的规格等)，控制器210也可例如是输出其他数量的控制信号，并且通过其他数量的路径分离电路来控制电阻电路220提供信号测量阻值。

在本实施例中，信号放大电路250用以放大控制器210所输出的控制信号cs1至cs16。举例来说，控制器210所输出的控制信号cs1至cs16的电压为3伏特，但在本实施例中，控制电阻电路220所需的电压为12至15伏特。因此，信号放大电路250会将控制信号cs1至cs16的电压放大为12至15伏特。所属领域技术人员当可理解为达上述目的的信号放大电路250的具体实施方式，故不在此赘述。此外，在其他实施例中，视需求地测量装置200也可包括其他倍率的信号放大电路250，或不包括信号放大电路250，本发明并不在此限制。

在本实施例中，电阻电路220包括多个阻抗电路im1至im16。阻抗电路im1至im16分别包括电阻r1至r16以及晶体管开关q1至q16，且电阻r1至r16分别并联于晶体管开关q1至q16。晶体管开关q1至q16的控制端分别电性连接于信号传递电路中的路径分离电路230_1至230_16，并且依据控制器210所提供的控制信号cs1至cs16来决定是否通过与其并联的电阻来提供测量阻值。

以阻抗电路im1为例，阻抗电路im1包括相互并联的电阻r1以及晶体管开关q1，并且晶体管开关q1的控制端(例如，晶体管的栅极)电性连接于路径分离电路230_1。控制器210所提供的控制信号cs1通过路径分离电路230_1传递至晶体管开关q1的控制端，当晶体管开关q1的栅源极电压大于晶体管开关q1的临界电压时，晶体管开关q1会导通而短路电阻r1。换句话说，晶体管开关q1可依据控制信号cs1来决定是否通过电阻r1来提供测量阻值。类似地，在阻抗电路im2至im16中，晶体管开关q2至q16可分别依据控制信号cs2至cs16来决定是否通过电阻r2至r16来提供测量阻值。

如此一来，当控制器210输出不同组合的控制信号cs1至cs16，电阻电路220便能通过短路不同组合的电阻r1至r16，来以对应于控制信号cs1至cs16的特定频率提供测量太阳能电池sc时所需的不同测量阻值。值得一提的是，在本实施例中，阻抗电路im1至im16是一对一对应至路径分离电路230_1至230_16，但本公开内容并不限于此。

在本实施例中，晶体管开关q1至q16例如为金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)、碳化硅金属氧化物半导体场效晶体管(sic-mosfet)或绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，但不限于此。

特别是，在测量太阳能电池的电流电压特性曲线时，常需要快速的切换测量阻值，因此需要快速且频繁的开关晶体管开关q1至q16。以晶体管开关q1为例，当晶体管开关q1在栅极与源极之间存在内部电容时，会导致流经电阻r1的电流发生震荡，且在晶体管开关q1的控制端(即，栅极)放电时尤其明显。因此，本实施例在测量装置200中设置路径分离电路230_1至230_16以改善上述的震荡现象。

在本实施例中，信号传递控制电路包括多个路径分离电路230_1至230_16。在设置上，路径分离电路230_1至230_16是一对一对应地连接于阻抗电路im1至im16。以下将以路径分离电路230_1为例来详细说明本公开内容的路径分离电路。

图3为本公开内容实施例的路径分离电路的方块电路图。请参照图3，本实施例的路径分离电路230_1提供第一信号传递路径sp1、第二信号传递路径sp2以及第三信号传递路径sp3。

在本实施例中，第一信号传递路径sp1包括第一二极管d1，用以限制电流流入电阻电路220的阻抗电路im1。第二信号传递路径sp2包括第二二极管d2以及第一电阻re1，用以限制电流流出电阻电路220的阻抗电路im1。电阻电路220的阻抗电路im1的控制端电性连接于第一二极管d1的输出端以及第二二极管d2的输入端。因此，以流入流出电阻电路220的电流而言，第一信号传递路径sp1的阻抗小于第二信号传递路径sp2的阻抗。

值得一提的是，当阻抗电路im1中晶体管开关q1的栅极放电时，是通过包括第一电阻re1的第二信号传递路径sp2。如此一来，可减缓晶体管开关q1的栅极放电的速度，进而改善放电时流经电阻r1的电流的震荡。另一方面，当阻抗电路im1中晶体管开关q1的栅极充电时，是通过不包括任何电阻的第一信号传递路径sp1。如此一来，晶体管开关q1的栅极能够快速地充电。

然而，常见的二极管(例如，硅二极管)存在有导通电压(例如，0.7伏特)，若是仅提供第二信号传递路径sp2作为电流流出电阻电路220的路径，晶体管开关q1的栅极将无法充分地放电。

因此，在本实施例中，路径分离电路230_1还提供包括第二电阻re2的第三信号传递路径sp3，以提供电流流出电阻电路220的另一路径。也就是说，本实施例中电流会以第二信号传递路径sp2以及第三信号传递路径sp3流出电阻电路220。值得一提的，第二电阻re2的电阻值大于第一电阻re1的电阻值，因此以流入流出电阻电路220的电流而言，第三信号传递路径sp3的阻抗大于第一信号传递路径sp1的阻抗以及第二信号传递路径sp2的阻抗。

在另一实施例中，路径分离电路230_1也可不包括第三信号传递路径sp3，而仅提供第二信号传递路径sp2来作为电流流出电阻电路220的路径。在又另一实施例中，路径分离电路230_1可还包括第四信号传递路径来提供电流流出电阻电路220的又另一路径。换言之，本公开内容实施例的路径分离电路230_1至少包括第一信号传递路径sp1以及第二信号传递路径sp2，而所属领域技术人员可依需求来增加其他的电流路径。

在本实施例中，第一信号传递路径sp1与第二信号传递路径sp2并联。然而，本公开内容并不限于此。在其他实施例中，第一信号传递路径sp1与第二信号传递路径sp2也可以是不互相并联。举例来说，第二信号传递路径sp2的第二二极管d2的输出端可以是不电性连接于第一二极管d1的输入端，而例如是接地或连接至其他的电路。

如此一来，通过如图2实施例的测量装置200以及图3实施例的路径分离电路230_1，能够将晶体管开关q1的控制端的充放电路径分开，以同时兼顾快速切换开关以及避免流经电阻r1的电流震荡。

图4为本公开内容实施例的太阳能电池的测量装置的方块电路图。请同时参照图2至图4，图2实施例的路径分离电路230_1至230_16皆以图3实施例的路径分离电路230_1来制作，并且将测量装置200电性连接数据获取电路daqc以及处理电路proc，可以得到如图4所示的测量装置400。在一实施例中，数据获取电路daqc用以取得太阳能电池sc的多条特性曲线，处理电路proc用以将数据获取电路daqc所取得的多条特性曲线拟合为最佳化特性曲线。

在本实施例中，数据获取电路daqc是电性连接于太阳能电池sc以及电阻电路220，并且处理电路proc耦接于数据获取电路daqc。本实施例在测量时，还将一电源串联于电阻电路220以及太阳能电池sc。当控制器210输出不同组合的控制信号cs1至cs16时，电阻电路220会依据控制信号cs1至cs16来分别决定是否通过电阻r1至r16提供测量阻值。若依据一个测量阻值，数据获取电路daqc能够取得太阳能电池sc对应的一个数据点(例如，电流-电压数据点)。若依据多个递增或递减的测量阻值，数据获取电路daqc便能够取得太阳能电池sc的一条特性曲线(例如，电流电压特性曲线)。

举例来说，控制器210可输出一组正扫偏压(forward-sweep)的控制信号cs1至cs16，来以特定频率改变提供测量阻值的电阻r1至r16的组合，以使电阻电路220的测量阻值以特定频率递增。如此一来，数据获取电路daqc可以取得对应多个递增的测量阻值的多个数据点，进而取得太阳能电池sc的正扫特性曲线。

另一方面，控制器210可输出另一组反扫偏压(backward-sweep)的控制信号cs1至cs16，来以特定频率改变提供测量阻值的电阻r1至r16的组合，以使电阻电路220的测量阻值以特定频率递减。如此一来，数据获取电路daqc可以取得对应多个递减的测量阻值的多个数据点，进而取得太阳能电池sc的反扫特性曲线。

图5为本公开内容实施例的太阳能电池的等效电路图。一般来说，在测量不具有内部电容的太阳能电池时，正扫特性曲线会几乎相同于反扫特性曲线。当太阳能电池中具有内部电容c时，可以视为在其等效电路中并联电容c，如图5所示。其中i为输出电流、v为输出电压、iph为光转换电流、rs为串联电阻、rsh为并联电阻、id为暗电流，并且c为内部电容。关于图5的等效电路中各参数的详细说明，所属领域技术人员应知晓其详细含义，在此不再赘述。

受到上述内部电容c的影响，太阳能电池sc的正扫特性曲线在靠近最大功率点会向上凸起，并且太阳能电池sc的反扫特性曲线在靠近最大功率点会向下弯曲。换言之，归因于内部电容c，在通过测量到的特性曲线判定最大功率点时会有极大的误差。

因此，在本实施例中，在数据获取电路daqc取得太阳能电池sc的正扫特性曲线以及反扫特性曲线后，处理电路proc可用以将正扫特性曲线与反扫特性曲线拟合为最佳化特性曲线。

图6为本公开内容实施例的特性曲线拟合方法的流程图。图7为本公开内容实施例的电流电压特性曲线的示意图。本实施例的特性曲线拟合方法适用于图4实施例的测量装置400，以下将配合测量装置400中的各项元件来说明本实施例的特性曲线拟合方法的步骤。

请同时参照图4、图6与图7，在步骤s610中，处理电路proc会从数据获取电路daqc取得太阳能电池sc的多个电流电压特性曲线，其中包括正扫特性曲线fsc以及反扫特性曲线bsc。

一般来说，电流电压特性曲线与电流轴的交点为短路电流，电流电压特性曲线与电压轴的交点为开路电压，串联电阻可从电流电压特性曲线与电压轴的交点(即，开路电压)处的斜率取得，而并联电阻可从电流电压特性曲线与电流轴的交点(即，短路电流)处的斜率的负倒数来取得。

据此，处理电路proc便可从所取得的正扫特性曲线fsc中得到正扫特性曲线fsc的多个第一特性参数，其中包括串联电阻rs1、并联电阻rsh1、短路电流ioc1以及开路电压voc1，并且从所取得的反扫特性曲线bsc中得到反扫特性曲线bsc的多个第二特性参数，其中包括串联电阻rs2、并联电阻rsh2、短路电流ioc2以及开路电压voc2。

随后，在步骤s620中，处理电路proc会分别比较第一特性参数与第二特性参数是否相等。具体来说，处理电路proc会比较串联电阻rs1与串联电阻rs2之间的差是否小于容忍值。若是，则视为串联电阻rs1与串联电阻rs2相等。处理电路proc比较其他特性参数的方式可以此类推。附带一提的，在比较各特性参数是否相等时，处理电路proc所设定的容忍值可以相同或不同，所属领域技术人员当可依需求调整上述的容忍值。

若各第一特性参数分别与各第二特性参数相等，则表示正扫特性曲线fsc与反扫特性曲线bsc之间的误差相当小或几乎相等。如此一来，在步骤s630中，处理电路proc会以正扫特性曲线fsc或反扫特性曲线bsc作为最佳化特性曲线。

另一方面，若第一特性参数与第二特性参数不相等，则进入步骤s640，处理电路proc会依据二极管特性公式迭代修正第一特性参数以及第二特性参数，以取得最佳化特性曲线。

详细来说，不具有内部电容的太阳能电池通常可以等效为p-n二极管，而测量所得的电流电压关系式可以下列的二极管特性公式来表示：

，其中i为输出电流、v为输出电压、iph为光转换电流、rs为串联电阻、rsh为串联电阻、a为p-n界面常数、i0为p-n反向饱和电流、q为电荷量、k为波兹曼常数，并且t为温度。关于上述各参数，所属领域技术人员应知晓其详细含义，在此不再赘述。

若将上述方程式利用一般级数(powerseries)展开，可以将二极管特性公式呈现为多项式曲线方程式如下：

f(v)＝a0+a1v+a2v²+...+anvⁿ

，其中输出电流i可表示为输出电压v的函数f(v)，并且a0至an为级数展开时的各系数。利用上述多项式曲线方程式，处理电路proc能够迭代地修正第一特性参数以及第二特性参数，以取得最佳化特性曲线。

详细来说，处理电路proc会以此多项式曲线方程式的次方来作为迭代修正第一特性参数以及第二特性参数时的依据。例如，在第一次迭代时，处理电路proc会依据f(v)＝a0+a1v来修正第一特性参数以及第二特性参数；在第二次迭代时，处理电路proc会依据f(v)＝a0+a1v+a2v2来修正第一特性参数以及第二特性参数，以此类推。以下段落将循序说明处理电路proc迭代修正第一特性参数以及第二特性参数的步骤。

在本实施例中，上述迭代修正的步骤s640又包括步骤s641至s647。在步骤s641中，处理电路proc会依据二极管特性公式修正第一特性参数以及第二特性参数，以取得正扫特性曲线的多个第一修正参数以及反扫特性曲线的多个第二修正参数，其中第一修正参数对应于第一模拟曲线，且第二修正参数对应于第二模拟曲线。

详细来说，处理电路proc会以前述段落所描述的方式，利用上述展开后的二极管特性公式来修正第一特性参数，并且模拟出第一模拟曲线。通过前述段落所介绍的方法，处理电路proc便能够取得对应于第一模拟曲线的多个第一修正参数，其中至少包括串联电阻rs1’以及并联电阻rsh1’。另一方面，处理电路proc也会以类似的方式模拟出第二模拟曲线，并且得到多个第二修正参数，其中至少包括串联电阻rs2’以及并联电阻rsh2’。

随后，在步骤s643中，处理电路proc会比较第一特性参数与第一修正参数是否相等，以及第二特性参数与第二修正参数是否相等。

详细来说，处理电路proc会判断串联电阻rs1与串联电阻rs1’之间的差是否小于第一容忍值，若是，则判断串联电阻rs1与串联电阻rs1’相等。处理电路proc也会判断并联电阻rsh1与并联电阻rsh1’之间的差是否小于第二容忍值，若是，则判断并联电阻rsh1与并联电阻rsh1’相等。

另一方面，处理电路proc会判断串联电阻rs2与串联电阻rs2’之间的差是否小于第一容忍值，若是，则判断串联电阻rs2与串联电阻rs2’相等。处理电路proc也会判断并联电阻rsh2与并联电阻rsh2’之间的差是否小于第二容忍值，若是，则判断并联电阻rsh2与并联电阻rsh2’相等。

附带一提的是，上述的第一容忍值与第二容忍值可以相同或不同，本公开内容并不在此限制。

此外，本实施例在判断两个参数是否相等时，是以两参数之间的差值是否小于容忍值来判定。然而，本公开内容也不在此限制判断两个参数相等时的详细实际操作方式。

在另一实施例中，处理电路proc可计算串联电阻rs1与串联电阻rs1’的商，并且判断上述的商与1之间的距离是否小于第三容忍值。若是，则判断串联电阻rs1与串联电阻rs1’相等。处理电路proc也可计算并联电阻rsh1与并联电阻rsh1’的商，并且判断上述的商与1之间的距离是否小于第四容忍值。若是，则判断并联电阻rsh1与并联电阻rsh1’相等。

另一方面，处理电路proc可计算串联电阻rs2与串联电阻rs2’的商，并且判断上述的商与1之间的距离是否小于第三容忍值。若是，则判断串联电阻rs2与串联电阻rs2’相等。处理电路proc也可计算并联电阻rsh2与并联电阻rsh2’的商，并且判断上述的商与1之间的距离是否小于第四容忍值。若是，则判断并联电阻rsh2与并联电阻rsh2’相等。

若第一特性参数与第一修正参数相等，并且第二特性参数与第二修正参数相等，表示迭代修正完成，则进入步骤s645，处理单元proc会以第一模拟曲线或第二模拟曲线作为最佳化特性曲线。在本实施例中，若串联电阻rs1与串联电阻rs1’相等，并联电阻rsh1与并联电阻rsh1’相等，串联电阻rs2与串联电阻rs2’相等，并且并联电阻rsh2与并联电阻rsh2’相等，则表示迭代修正完成。

另一方面，若第一特性参数与第一修正参数不相等，或第二特性参数与第二修正参数不相等，则进入步骤s647，处理电路proc会将第一修正参数作为第一特性参数，并且将第二修正参数作为第二特性参数。随后，再回到步骤s641中，处理单元proc会再次依据二极管特性公式迭代修正第一特性参数以及第二特性参数，直到取得最佳化特性曲线。

如图7所示，在处理电路proc迭代修正第一特性参数以及第二特性参数后，能够将正扫特性曲线fsc以及反扫特性曲线bsc拟合为一条最佳化特性曲线opc。如此一来，能够得到太阳能电池sc准确的电流电压特性曲线(即，最佳化特性曲线opc)，进而精准的判断出最大功率点的位置。

综上所述，本公开内容中太阳能电池的测量装置，利用信号传递控制电路将控制信号输出至电阻电路，并且在控制信号传递的过程中，利用路径分离电路将控制信号的充放电路径分离。如此一来，能够快速的切换电阻电路所提供的测量阻值，并且同时避免切换时因元件的内部电容等因素所造成的振荡效应，以快速获取太阳能电池的特性曲线。另一方面，当所测量的太阳能电池具有内部电容而造成测量误差时，本公开内容的太阳能电池的测量装置更能够利用迭代修正的方式，将正扫特性曲线与反扫特性曲线拟合为最佳化特性曲线。如此一来，能够修正出一条不含电容效应的电流电压特性曲线并得到准确的最大功率点位置，以对所测量的太阳能电池作出更正确精准的分析。

虽然本公开内容以上述实施例公开，但具体实施例仅用以解释本公开内容，并不用于限定本公开内容，任何本技术领域技术人员，在不脱离本公开内容的构思和范围内，可作一些的变更和完善，故本公开内容的权利保护范围以权利要求书为准。