一种测量光伏组件禁带宽度的方法

本发明属于太阳能电池物性分析，具体涉及一种从光伏组件的户外测试伏安特性曲线中提取禁带宽度的方法。

背景技术：

1、禁带宽度是太阳能电池或光伏组件的重要性质参数之一，它指的是电池材料在波矢空间的导带底部和价带顶部的能级差。通过测量禁带宽度的大小，能够有效识别太阳能电池或光伏组件的种类、评估改进其制造工艺、诊断考察其工作状态。

2、目前，已有一些测量半导体材料禁带宽度的方法。例如，被半导体材料实现本征吸收的光子能量不低于禁带宽度值，因此可通过测量可见光范围内的吸收光谱，本征吸收光子的最低频率所对应的能量就等于禁带宽度；或利用x射线光电子能谱推断价带顶部能级位置，同时利用逆光电子能谱确定导带底部能级位置，两者差值即为禁带宽度。然而，光谱仪和x射线光电子能谱仪设备昂贵、操作复杂，并且对样品尺寸和表面处理有一定要求，如对于尺寸较大和经过封装的光伏组件，必须经过破坏性切割和去除封装材料等繁琐操作才能使用光谱仪或光电子能谱仪进行测量。另外，对于理想二极管，即当理想因子等于1时，可以通过测量其正向电压与温度的变化关系，来测量二极管的灵敏度和禁带宽度。然而，这一方法也不适用于光伏组件，原因在于光伏组件的理想因子未知，且通常大于1、甚至大于2。因此，如何低成本、简便合理地测量光伏组件禁带宽度，仍然是本技术领域中值得攻克的课题。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本、简便合理地测量光伏组件禁带宽度的方法，无需对大尺寸封装的光伏组件进行切割等破坏性操作，同时适用于理想因子未知的光伏组件。

2、技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种测量光伏组件禁带宽度的方法，包括以下步骤：

3、步骤1：在户外光照环境下，使用标准测试电路对光伏组件输出的电流-电压(i-v)特性进行连续测量，记录多组i-v数据和测量时的组件温度t。标准i-v测试电路包含与光伏组件串联的电源、可调电阻和电流表，以及并联在光伏组件两端的电压表。

4、步骤2：利用步骤1所获得的每一组i-v数据，进行三二极管模型拟合，获得相关的模型参数。三二极管i-v模型如下

5、

6、

7、其中i为电流、v为电压，f(i,v)函数由符号“≡”后的定义式给出，e为自然底数，iph为光生电流，is1为理想因子为1的二极管的反向饱和电流、is2为理想因子为2的二极管的反向饱和电流、is3为理想因子为n3的二极管的反向饱和电流，rs为串联电阻，gsh为并联电导，n3为第三个二极管的理想因子，vt为热电压，定义为vt＝nskt/q，其中ns为光伏组件中的串联单元数，k＝1.38e-23j/k为玻尔兹曼常数，q＝1.602e-19c为电子电荷量，t为开尔文温标下步骤1记录的组件温度。

8、上述三二极管模型中共有7个未知参数，分别为(iph,is1,is2,is3,gsh,rs,n3)，本发明采用benders参数分解方法将独立参数的个数缩减为2个，即n3和rs这两个独立参数。接着，针对某一组数据点(vi,ii)，下标i＝1,2,…,n，采用nelder-mead算法求解如下关于n3和rs的两参数最优化问题以提取模型参数：

9、

10、其中ical,i为在电压vi处利用三二极管模型计算得到的电流值，上标t表示转置，上标-1表示矩阵求逆，m和b分别为实施benders参数分解的矩阵和向量、它们根据三二极管模型公式将其中五个参数iph,is1,is2,is3,gsh转换为与n3和rs有关的非独立参数，即将7个模型参数分解为2个独立参数和5个非独立参数，m和b的具体定义为

11、

12、其中所有求和均包含所有数据点，即从i＝1累加至i＝n，此外，di＝-vi-iirp。通过求解这一优化问题，可以获得所有7个模型参数的最优值。进而，对各组不同温度下的电流-电压数据提取三二极管模型参数。

13、步骤3：根据步骤1记录的多组温度t和步骤2提取的模型参数is1，作出ln(is1)–1/t图像。根据半导体理论，理想因子为1的二极管描述的电流机制为pn结中性区的扩散-复合电流，其反向饱和电流与温度之间具有如下关系

14、

15、其中eg为禁带宽度，k＝1.38e-23j/k为玻尔兹曼常数。因此，ln(is1)–1/t图像近似为一条直线，直线斜率大小等于eg/k。利用线性最小二乘法求出该直线斜率记作slope，则最终测量得到的光伏组件禁带宽度为

16、

17、其中q＝1.602e-19c为电子电荷量，用于将禁带宽度单位转换为电子伏特(ev)。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

19、现有的光谱仪方法需要测量样品的反射率和透射率，而光伏组件的封装将极大影响光线透射及反射的测量结果，并且光谱仪样品室较小、无法容纳体积较大的光伏组件。同样地，光伏组件的封装也会影响x射线光电子能谱仪的测量。因此，使用光谱仪或光电子能谱仪测量时需要先将光伏组件切割成合适大小、并去除封装材料，属于破坏性测试。另外，现有的测量正向电压与温度的变化关系方法，只适用于理想因子为1的理想二极管，而并不适用于理想因子通常大于1且未知的光伏组件。针对以上问题，本发明只需通过测量不同温度下的光照伏安特性即可计算禁带宽度，这一方法无需使用昂贵的光谱仪或x射线光电子能谱仪设备，不需要对样品进行繁琐的破坏性测试，且适用于理想因子大于1且未知的光伏组件，具有低成本、简便易行的优点。

技术特征：

1.一种测量光伏组件禁带宽度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种测量光伏组件禁带宽度的方法，其特征在于：步骤(1)中的电流-电压测试电路包含与光伏组件串联的电源、可调电阻和电流表，以及并联在光伏组件两端的电压表。

3.根据权利要求1所述的一种测量光伏组件禁带宽度的方法，其特征在于：步骤(2)中的三二极管模型为

4.根据权利要求3所述的一种测量光伏组件禁带宽度的方法，其特征在于：步骤(2)中的模型拟合采用nelder-mead算法求解如下经benders参数分解后的最优化问题：

5.根据权利要求3或4所述的一种测量光伏组件禁带宽度的方法，其特征在于：步骤(3)中的理想因子为1的二极管的反向饱和电流is1的对数值与绝对温度t的倒数之间呈线性关系；作出以1/t为自变量，以ln(is1)为因变量的数据图像，使用最小二乘法拟合直线斜率，记作slope，光伏组件的禁带宽度eg使用如下公式计算

技术总结
本发明公开了一种测量光伏组件禁带宽度的方法，属于太阳能电池物性分析技术领域，包括：首先，在户外环境下，对光伏组件输出的电流‑电压特性进行连续测量，记录多组数据和测量时的组件温度。其次，利用所获得的电流‑电压数据，建立三二极管模型，其中两个二极管理想因子固定为1和2、另一个二极管理想因子为可变参数，利用Benders参数分解技术和最优化算法提取模型参数。最后，利用理想因子为1的反向饱和电流与温度的变化关系，计算出光伏组件的禁带宽度。相比于现有禁带宽度的测量方法，本发明无需使用昂贵的光谱仪或X射线光电子能谱仪设备，无需破坏性操作，适用于任意尺寸、理想因子未知的已封装光伏组件，具有低成本、简便易行的优点。

技术研发人员：许杰,赵海坤,任青颖,陈德媛,李卫
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13