实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的制作方法

本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统。

背景技术：

钙钛矿太阳能电池是一种新型的薄膜太阳能电池。经过不到十年时间的发展，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到23.3%。钙钛矿太阳能电池使用溶液方法制备，加工成本较低；同时，光电转换效率高，可以媲美单晶硅太阳能电池。因此，钙钛矿太阳能电池具有极佳的商业化应用前景。

钙钛矿太阳能电池正向扫描（从短路电压扫描到开路电压）和反向扫描（从开路电压扫描到短路电压）条件下，得到的i/v曲线（即电流/电压曲线）不重合，表现出一定的迟滞现象，该现象导致单独测量i/v曲线很难准确地评估钙钛矿太阳能电池的光电转换性能。一般而言，采用恒定电压法测试钙钛矿太阳能电池在最大功率点处的持续输出功率，以此计算钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。但是，当存在迟滞现象时，很难准确地从i/v曲线上得到最大功率点对应的电压，采用该方法，由于恒定电压选择的不确定性会导致最终计算得到的光电转换效率不准确。

同时，钙钛矿太阳能电池的稳定性是研究人员关注的重点。但是，目前通常采用的稳定性测试方法有多种，例如：将钙钛矿太阳能电池存放到特定环境下，间隔一段时间后测试电池的i/v曲线；或者，在持续光照条件下，测试恒定电压下电池的持续输出电流。上述方法都不能准确反应实际工作条件下钙钛矿太阳能电池的真实稳定性。在真实应用环境下，钙钛矿太阳能电池应该工作在最大功率点处，而且光照强度、温度和湿度会实时变化。为了解决以上问题，我们需要将最大功率点跟踪测试设备应用到钙钛矿太阳能电池研究中。

事实上，最大功率点跟踪测试系统被广泛应用在商业化太阳能电池领域，系统以dc-dc变换电路为基础，在大功率范围内，具有非常好的适用性。但对于实验室范围内的钙钛矿太阳能电池而言，电池的有效面积通常在1cm²以内，电池的电流密度小于24ma/cm²，电池的开路电压小于1.2v，最大输出功率小于28.8mw。实验室范围内的钙钛矿太阳能电池的输出功率太小，所以，商业化的最大功率点跟踪测试系统无法应用到实验室范围内的钙钛矿太阳能电池研究中。为此，需要我们开发出一种新型的能够适用于毫瓦级别小功率钙钛矿电池的最大功率点跟踪测试系统。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统，实现了在实验室范围内毫瓦级别的钙钛矿太阳能电池的最大功率点的有效跟踪测试。

为实现所述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统，包括mcu、i/v转换电路和上位机；所述mcu与i/v转换电路之间通过d/a转换电路和a/d转换电路连接；所述mcu与上位机通讯；

所述i/v转换电路，用于将d/a转换电路输出的电压施加到钙钛矿太阳能电池两端，将钙钛矿太阳能电池的输出电流转换为相应的电压信号；

所述a/d转换电路，用于采集i/v转换电路输出的电压信号，并通过mcu传输至上位机；

所述d/a转换电路，用于通过mcu控制将上位机指定输出电压信号转换为模拟信号输出；

所述上位机通过控制mcu，实现对d/a转换电路和a/d转换电路的控制，并对d/a转换电路和a/d转换电路的电压信号进行处理后得到待测试钙钛矿太阳能电池两端的电压和电流信息，实现实验室范围内功率为毫瓦级的钙钛矿太阳能电池的i/v曲线测量以及最大功率点输出功率的跟踪测试。

进一步地，所述mcu采用80c51系列单片机、pic单片机、avr单片机、msp单片机、arm系列单片机、dps或fpga。

进一步地，所述i/v转换电路包括初级转换电路、减法运算电路和滤波及箝位电路。

进一步地，所述初级转换电路包括算放大器u5、三极管q1、三极管q2和电阻r10；

所述运算放大器u5的输出端分别连接三极管q1和三极管q2的基极，所述三极管q1的发射极与三极管q2的发射极相连接，且三极管q1和q2的发射极与运算放大器u5之间连接电阻r10；三极管q1、q2和电阻r10构成负反馈电路；

所述运算放大器u5反相输入端连接钙钛矿太阳能电池的正极，钙钛矿太阳能电池的负极接地。

进一步地，所述减法运算电路包括运算放大器u6和电阻r12~r15；

所述运算放大器u6的同相输入端与运算放大器u5的同相输入端之间连接有电阻r12，同时运算放大器u6的同相输入端连接有接地电阻r14，运算放大器u6的反相输入端通过电阻r13与三极管q1的发射极、三极管q2的发射极连接；运算放大器u6的输出端与反相输入端之间接有负反馈电阻r15。

进一步地，所述滤波及箝位电路包括电阻r16、电容c13、二极管d2和二极管d3；

所述电阻r16和电容c13连接运算放大器u6的输出端，用于对运算放大器u6输出的电压进行滤波。

进一步地，所述d/a转换电路采用的转换芯片为tlc5615；tlc5615的6引脚接入2.5v基准电压；tlc5615的7引脚连接运算放大器u5的同相输入端。

进一步地，所述a/d转换电路采用的转换芯片为ads1115；ads1115芯片的9、10引脚连接上拉电阻r9和r10；ads1115芯片的4引脚连接滤波及箝位电路的输出端。

进一步地，所述上位机与mcu通过串行或并行接口通讯。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种简单可靠的、毫瓦级别的实验室用的最大功率点跟踪测试系统，解决了毫瓦级别范围内缺少专用的最大功率点输出功率跟踪测试系统的难题。

本发明使用上位机控制mcu以及与mcu相连接的a/d转换电路和d/a转换电路，可以控制钙钛矿太阳能电池两端输出电压，同时采集钙钛矿太阳能电池的输出电流；上位机可以使用python或者任何通用的编程语言实现，有助于充分利用计算机强大的运算和控制能力，编写实现更加复杂的最大功率点跟踪测试算法，从而能够更加精确地完成最大功率点跟踪测试。

附图说明

图1是本发明实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中的mcu中单片机电路的原理图。

图3是本发明实施例中单片机的复位电路的原理图。

图4是本发明实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的i/v转换电路的原理图。

图5是本发明实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的d/a转换电路的原理图。

图6是本发明实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的a/d转换电路的原理图。

图7是本发明实施例中usb通讯电路的原理图。

图8是本发明实施例中电源电路的原理图。

图9是本发明实施例中测试得到的iv曲线数据图。

图10是本发明实施例中测试得到的电流、电压和功率的曲线数据曲线图。

附图中标号为：100为上位机，101为mcu，102为d/a转换电路，103为a/d转换电路，104为i/v转换电路。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统，包括mcu101、i/v转换电路104和上位机100；所述mcu101与i/v转换电路104之间通过d/a转换电路102和a/d转换电路103连接；所述mcu101与上位机100通讯；

所述i/v转换电路104，用于将d/a转换电路102输出的电压施加到钙钛矿太阳能电池两端，将钙钛矿太阳能电池的输出电流转换为相应的电压信号；

所述a/d转换电路103，用于采集i/v转换电路104输出的电压信号，并通过mcu101传输至上位机100；

所述d/a转换电路102，用于通过mcu101控制将上位机100指定输出电压信号转换为模拟信号输出；

所述上位机100通过控制mcu101，实现对d/a转换电路102和a/d转换电路103的控制，并对d/a转换电路102和a/d转换电路103的电压信号进行处理后得到待测试钙钛矿太阳能电池两端的电压和电流信息，进行实验室范围内功率为毫瓦级的钙钛矿太阳能电池的i/v曲线测量以及最大功率点输出功率的跟踪测试。

所述mcu101采用80c51系列单片机、pic单片机、avr单片机、msp单片机、arm系列单片机、dps或fpga。

作为一种优选地实施方式，本实施例中，所述上位机100采用的是python语言编程实现的上位机100；所述mcu101采用stm32f103c8t6型号的单片机；如图2~3所示，stm32f103c8t6单片机接3.3v电源，同时单片机连接有两个晶振电路，单片机的pdo和pd1端口连接有频率为8mhz的晶振电路，单片机的pc14和pc15端口连接有频率为32768hz的晶振电路；单片机的nrst端口连接有复位电路，复位电路中设置有按键sw1、电阻r2和电容c3。

所述i/v转换电路104包括初级转换电路、减法运算电路和滤波及箝位电路。

具体的，如图4所示，所述初级转换电路包括算放大器u5、三极管q1、三极管q2和电阻r10；所述运算放大器u5的输出端分别连接三极管q1和三极管q2的基极，所述三极管q1的发射极与三极管q2的发射极相连接，且三极管q1和q2的发射极与运算放大器u5的反相输入端之间连接电阻r10；三极管q1、q2和电阻r10构成负反馈电路；所述运算放大器u5反相输入端连接钙钛矿太阳能电池的正极，钙钛矿太阳能电池的负极接地。由于负反馈电路的作用，钙钛矿太阳能电池两端的电压与d/a转换电路102输出的电压v相等；钙钛矿太阳能电池输出电流为i，经过电阻r10后转换为电压信号，具体的，图4中c点的电压为（v-i*r10）。

所述减法运算电路包括运算放大器u6、电阻r12~r15；所述运算放大器u6的同相输入端与运算放大器u5的同相输入端之间连接有电阻r12，同时运算放大器u6的同相输入端通过电阻r14接地，运算放大器u6的反相输入端通过电阻r13与三极管q1的发射极、三极管q2的发射极连接；运算放大器u6的输出端与反相输入端接有负反馈电阻r15。

所述滤波及箝位电路包括电阻r16、电容c13、二极管d2和二极管d3；所述电阻r16和电容c13连接运算放大器u6的输出端，用于对运算放大器u6输出的电压进行滤波；具体的，二极管d2和二极管d3作为箝位电路，将输出电压箝位在0到3.3v之间，防止a/d转换电路103的输入电压过高，导致转换芯片ads1115的损坏。

作为一种可实施方式，本实施例中的运算放大器u5与运算放大器u6均采用的是型号为op07的放大器，电阻r10为精密可调电阻，电阻值为0~100ω，电阻r12~r15为精密可调电阻，电阻值为0~20ω，三极管q1和q2为小功率三极管s9013和s9012。

具体的，如图5所示，所述d/a转换电路102采用的转换芯片为tlc5615；tlc5615的7引脚连接运算放大器u5的同相输入端；其中，tlc5615的1,2,3,4引脚分别连接stm32f103c8t6单片机的pa7、pa5、pa4和pa6引脚；tlc5615的6引脚通过二极管d1连接有tl431芯片，tl431芯片产生2.5v基准电压。

具体的，如图6所示，所述a/d转换电路103采用的转换芯片为ads1115；ads1115芯片的9、10引脚连接上拉电阻r9和r10；ads1115芯片的4引脚连接滤波及箝位电路的输出端；其中，ads1115芯片的9、10引脚通过i2c通信总线连接stm32f103c8t6单片机的pb6和pb7引脚，所述上拉电阻r9和r10的阻值均为10kω。

所述上位机100与mcu101通过串行或并行接口通讯。作为一种优选地实施方式，本实施例中，上位机100与mcu101通过usb通讯电路进行通讯，如图7所示，stm32f103c8t6单片机的pa12和pa13引脚连接usb接口，上位机100通过usb数据线接入接口中即可实现与单片机的通讯。

作为一种可实施方式，本实施例中，d/a转换电路102直接由usb接口提供5v工作电压，a/d转换电路103和mcu由电源电路提供3.3v工作电压。具体的，如图8所示，电源电路包括稳压器ams1117-3.3v、电容c6~c8和电感l1，稳压器的输入电压为usb接口提供的5v电压，输出电压为3.3v。

本发明实验室用钙钛矿太阳能电池最大功率点跟踪测试系统的工作原理为：

钙钛矿太阳能电池的正极接运算放大器u5的反相输入端，d/a转换电路102与运算放大器u5的同相输入端连接，由于负反馈电路的作用，钙钛矿太阳能电池两端的电压与d/a转换电路102输出的电压v相等；钙钛矿太阳能电池的输出电流i经过电阻r10后转换为电压信号，图4中c点电压为（v-i*r10）；运算放大器u6和r12~r15构成减法电路，当r12~r15电阻值相等时，运算放大器u6输出的d点电压为a点电压减去c点电压v(a)-v(c)，即i*r10，d点电压经过电阻r16和电容c13滤波后，通过a/d转换电路103转换为数字信号，发送至单片机，单片机负责将数字信号传送至上位机100；

上位机100控制d/a转换电路102输出电压从开路电压降低到短路电压或者从短路电压上升到开路电压，并采集对应的a/d信号，经过运算后，得到钙钛矿太阳能电池的iv曲线。

用python语言编写上位机100实现最大功率点跟踪测试算法，根据采集得到的钙钛矿太阳能电池两端的电压和电流信号，决定下一步d/a电路102的输出电压，从而保证钙钛矿太阳能电池一直工作在最大功率点处。在上位机100中实现复杂的最大功率点跟踪计算，从而更加准确地完成最大功率点跟踪测试。

为了验证本发明的最大功率点跟踪测试系统的性能，选择一个电池样品，并对电池的iv曲线和最大功率点进行测试，测试所用的电池样品为小型计算器中所用的小功率太阳能电池片，如图9所示；图中的黑点为最大功率点跟踪测试系统实测数据，黑色实线为数字源表（keithley2450）测试得到的曲线。由图中可以看出，在测试电池样品输出电压为0~2.0v电压范围内，本发明的系统测试得到的数据和数字源表测试的数据基本重合。在该测试条件下，电池样品的最大功率点的电压为1.1v，电流为3.32×10^-4ma，功率为3.65×10^-4mw。

图10给出了在测试过程中，最大功率点跟踪测试系统实际测试得到电流、电压和功率的曲线数据；为了测试系统的跟踪性能，初始输出电压设置为0.9v，随着测试时间的增加，输出电压逐渐调整到~1.1v左右，可以得出本发明的系统具有较好的最大功率点跟踪性能。

本发明提供的最大功率点跟踪测试系统，在实验室范围内毫瓦级别钙钛矿太阳能电池的真实光电转换性能评估和真实环境下稳定性研究方面具有广泛地应用前景。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。