户外I-V曲线测试仪该如何选型？
随着越来越多电站采用PERC、异质结和IBC等新型高效电池片制成的高电容性组件，有些I-V曲线测试仪在测试这些电站的时候出现了新问题，比如：发热，烧机，测试精度降低等问题，如何解决这个问题？其实标准GB-T 18210-2000《晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量》早就给出了答案，那就是：选用电容性负载的I-V曲线测试仪。本文，将进一步展开，从原理上阐述光伏标准为什么建议：测试光伏组串的需要用电容性负载的I-V曲线测试仪？
I-V曲线测试准确的重要性？
I-V曲线测试准确的重要性，毋庸多言，以CCIC-SET的一份报告的结论来概括吧
图：功率偏差影响巨大
什么是光生伏特？
1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏特电势，他把这种现象称为光生伏特效应。
图：光生伏特原理图
如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
I-V曲线及测试仪工作原理
在详细讨论扩散电容对I-V曲线测试仪的影响之前，我们先回顾一下I-V曲线测试仪的工作原理。
图：I-V曲线测试工作原理图
以Solmetric量程1500V，30A，采用容性负载技术的I-V曲线测试仪PVA-1500为例，介绍一下工作原理。
PVA-1500通过在光伏组串的测试端切换一个完全放电的负载电容(其端子的电压为零)来启动每对I-V数据点跟踪或“扫描”。这种方法可以将测量高效光伏组件时的误差最小化，并有助于管理仪器内部的热能。当I-V扫描启动时，初始电流为短路电流Isc。当电容负载积累电荷时，其电压平稳上升，直到达到开路电压Voc，电流停止流动。在扫描I-V期间，I-V曲线测试仪同时测量一系列的电流-电压对，每一个都代表在现有的太阳辐照度和光伏电池温度下光伏源电路可能的工作点。然后将这些点连接在电流-电压图中，便画出了I-V曲线。
图：Solmetric I-V曲线测试仪的曲线界面
什么是光伏组件的电容性？
光伏电池组件除了产生直流电流外，还具有交流或动态特性，主要表现为光伏电池的电容特性，当工作点变化非常快时，它就会发挥作用。在光伏电池半导体激发电子层，PN结电容分为势垒（Junction Capacitance）和扩散电容（Diffusion Capacitance）。扩散电容随着电池电压的增加而指数型增加，同时也随着电池效率和辐照度的增加而迅速增加（因为提高的那部分效率其实就是通过延长电池内电荷的寿命而获得的）。扩散电容，与少数载流子成线性关系，与电池电压成指数关系。所以，对于高效率光伏电池，其扩散电容对I-V曲线测试的影响非常明显。
式中，Co为基极电容值，Vcell为电池电压，T为温度，n为理想因子，n、k为物理常数。
图：PV电池的等效电路，显示电池电容
其中依赖光的电流源在左边，二极管代表太阳能电池的二极管性质，C是电池电容，Rs和Rp是串联和并联(并联)电阻，U是电池的终端电压。
电容性对I-V曲线的影响机理
高效光伏电池的电容性对I-V曲线测试的影响是双重的。首先，当光伏电池的工作点改变时，自由电荷需要一定的时间来响应，所以过快地扫过I-V曲线会扭曲I-V曲线。Solmetric的I-V曲线测试仪的设计考虑到了这个影响并减少这种影响，但市场上有些其他品牌I-V曲线测试仪无法做到这一点。其次，在I-V扫描启动的时刻，瞬间大量自由电荷涌入I-V曲线测试仪，可能会导致I-V曲线测试仪烧坏或导致I-V曲线测试仪电流过载报错。C值越大，要求dV/dT值很小，即需要IV测试时间长。控制电压变化速率（dV/dT），成为IV测量准确的关键点。
图：光伏电池组件结电容影响示意图
多年前的低容性组件（普通单多晶）的结电容小，对I-V测试的影响较小，但较高容性组件（如：PERC），及更高容性组件（如：Topcon,HJT等新型电池）的电容性影响就不能忽视了。一般来说，当光伏电池组件效率超过18%时，应该考虑它的电容性的影响了。目前，光伏电站采用新型高效光伏组件去提高光伏发电效率是必然的趋势，我们必然会面对如何有效测试新型高效光伏组串的问题，无法回避！
如果规避电容性对I-V曲线的影响
近年来，太阳能电池的迟滞和电容特性的影响是众所周知的，在如何使用太阳模拟器准确测试电容性光伏组件的I-V曲线的问题，也被广泛研究。但室内太阳模拟器测试光伏组件并没有向标准里测试组串那样特别强调用容性负载，知道为什么吗？
答案其实标准GB-T 18210-2000也给出来了，那就是：太阳模拟器只能测试光伏电池及组件，而户外I-V测试仪测试的主要是光伏组串，组件和组串，一字之差，根本所在！
图:I-V曲线由于正向扫描和反向扫描迟滞以及电容性引起的相应误差
背接触单晶硅太阳能电池(箭头为扫瞄方向)
虽然光伏组件电容性不影响光伏电池发电，但I-V曲线扫描的过程中会受到两方面的影响。首先，考虑I-V扫描的相关影响。随着负载上的电压在I-V扫描期间不断增加，光伏电池的工作点正在迅速变化。充电达到平衡需要较短的时间增量（涉及到半导体材料中电荷的数量和分布的变化）。如果I-V扫描太快，I-V曲线就会扭曲，从而使最大功率点向更高或更低的电压略微偏移，这取决于I-V扫描的方向(从Isc或Voc开始)。延迟是由扩散电容和串联电阻共同作用的结果，且随扩散电容和串联电阻的增大而增大。
基于多年的开发经验Solmetric 的户外I-V曲线测试仪的在设计中考虑了这些影响：第一，户外 I-V曲线测试仪扫描的速度既要足够慢，以避免I-V曲线的失真，但又不能太慢，以避免曲线因辐照度的波动而失真。第二，扩散电容的影响发生在I-V扫描的开始，即电容负载在光伏直流源电路上切换的瞬间。在这一刻，光伏组串会出现一个短的高电流峰值冲击I-V曲线测试仪的负载。如果这个涌流电流足够高，它可能超过I-V曲线测试仪的额定电流，在这种情况下，设备软件将停止测量，并显示“过流”警告，严重的会烧坏I-V曲线测试仪，这就是目前市场为什么有些采用阻性负载，或者电子负载的I-V曲线测试仪很容易发热，死机，甚至烧机，而且测试精度大大降低的原因所在。
所有光伏电池都有一定程度的扩散电容，在I-V扫描开始时都会引起相应程度的电流浪涌。对于传统的(低效率)光伏组件技术，峰值很小，一般使用电子负载的I-V曲线测试仪也可以处理。但光伏组件的效率越高，扩散电容越大，浪涌电流越大，这时候采用电子负载的I-V曲线测试仪的内在缺陷就无法避免了。
Solmetric采用容性负载的 I-V曲线测试仪可以容忍单串高效光伏组串的电流峰值。
当然，同样采用容性负载的Daystar的I-V曲线测试仪来说，也不是问题，详细请参考：
与其他负载的技术对比
如上所述，Solmetric I-V曲线测试仪通过在被测光伏组串上切换一组电容器来扫过I-V曲线，并允许光伏电池组件电路快速将电压从0伏特上升到开路电压Voc。其他一些IV曲线测试仪在光伏阵列之间切换电阻负载，或者在光伏组串之间使用有源线性模式晶体管。当I-V曲线测试仪使用阻性负载（resistive load）或主动负载（an active load）时，负载施加的时间必须保持非常短，以避免烧坏仪器内部的负载元件。此外，如果仪器在I-V曲线上的每个点停留的时间过长，或者整个I-V曲线停留的时间过长，那么仪器就会很快过热。但是，无论是快速扫描I-V曲线，还是快速采集单个I-V样本(例如，在单个样本的持续时间内施加负载，然后移除负载，然后在不同的负载点重复)，都会加剧测量高效光伏组件时的误差。
如上所述，只有平滑地扫描I-V曲线才可以获得更好的测试精度。采用电容负载技术的户外I-V曲线测试仪的两个重要优点是:1)它可以更好地控制测量速度(即扫描可以更慢)，从而保证高效光伏组件的测量更精确；2)它可以更好地对I-V曲线设备内部进行的热管理，防止I-V曲线测试仪在测试过程中过热导致测试精度降低，过热停机，或过热烧机等问题。
I-V扫描的方向也很重要。如果I-V曲线测试仪从开路到短路扫描I-V曲线，则与从短路到开路扫描相比，I-V曲线的失真更大。这是Solmetric PV分析仪的扫描从短路状态开始的原因之一。
图：Solmetric户外I-V曲线测试仪（1500V，30A，容性负载）
SOL
图：Daystar 户外I-V曲线测试仪（1000V,100A，容性负载）
总之，较之低容性组件（普通单多晶），在测试较高容性组件（PERC），及更高容性组件（Topcon,HJT）时更应关注光伏电池组件的电容性影响，需要依据标准GB-T 18210-2000《晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量》的要求：选择采用电容性负载的户外I-V曲线测试仪。注：国标GB-T 18210-2000等同国际标准：IEC 61829:1995. 要知道，这个建议可是是在27年前就提出了，您今天明白了？
若您对如何选择或使用户外IV测试仪还不清楚，请联系天祥科技获得进一步技术支持，电话:400-6892-163或Email: dyesuntech@163.com
相关文章及产品：
为什么建设户外光伏实证试验站？
便携式IV测试仪及太阳模拟器IV测试仪
钙钛矿等新型太阳电池对太阳模拟器的技术要求
按图索骥|典型I-V曲线“症状”诊断分析
户外光伏实证试验站的建设
1500V系统用美国Solmetric 户外IV测试仪 PVA1500V2
