基于等效电路参数可靠提取的高效太阳能电池实时诊断法

1.本发明涉及光伏发电技术领域，尤其是基于等效电路参数可靠提取的高效太阳能电池实时诊断法。


背景技术：

2.太阳能电池有望实现低碳、环保的大规模清洁能源供给，是当前基础研究和产业化研究的重点，受到普遍的重视。随着对太阳能电池的不断的探索和改进，各种高效太阳能电池(能量转化效率pce≥22％，填充因子ff≥80％，)逐步走进产业化转化阶段。然而，研究人员仍缺少简单的表征技术，对成品太阳能电池展开快速、实时分析，揭示太阳能电池器件工作状态下的光电过程和材料特性。等效电路参数(二极管饱和电流io、饱和光电流i
ph
、理想因子n
id
、串联电阻rs和并联电阻r
sh
)是诊断太阳能电池，并进一步推断其物理机制的最直接的方式，也是器件内部机制分析的基础和技术研发判断的重要标准。因此，基于等效电路参数的检测方法有望实现高效太阳能电池在研发、生产过程中的实时诊断。
3.参数提取是指从实验数据中提取电池的等效电路参数，最直接的提取是从器件的电流-电压(i-v)曲线中提取等效电路参数。传统的参数提取方法不稳定、不准确、普适性差，对当前研究的高效率太阳能电池适用性差，无法满足高效太阳能电池实时诊断的要求。因此，仍需要通过提升参数提取方法的性能来提高实时诊断技术的效力。
4.现有的太阳能电池等效电路参数提取方法，包括以下方法：
5.(1)解析法：解析方法基于特定点值(例如开路电压点(v
oc
，0)、短路电流点(0，i
sc
)和最大功率点(v
mpp
，i
mpp
)等)和相应的导数，把二极管模型转化为参数的代数方程，通过求解方程得到等效电路参数。
6.(2)参数优化法：该方法采用优化算法，以减小计算值和测量值之间的误差为标准，通过寻找误差最小值，得到对应的等效电路参数值。最常用的优化算法有遗传算法、牛顿-拉夫逊迭代法、非线性拟合法和粒子群优化算法等。
7.但高效太阳能电池的i-v曲线，与常规的太阳能电池相比，呈现了更加陡峭的上升的曲线，其测量易受测量因素的干扰，如电压涨落、起伏，电流-电压回滞效应，电容效应，测量电池环境干扰等。由于上述高效太阳能电池i-v曲线的特点，采用传统方法从i-v曲线数据中提取等效电路参数，其结果往往表现出不准确、不唯一、初值依赖等问题，暴露出传统方法的诸多缺点和不足。具体有：
8.从陡峭的高效太阳能电池i-v曲线中提取等效电路参数时，充分暴露了上述两种传统方法的不足，具体为：
9.(1)解析法的不足：因为该类方法只依赖于几个特定的点，该方法对测量的不确定性和干扰非常的敏感，表现出对特定点值要求很高，对测量的误差容忍度差等。因此，对解析法来说，光滑的实验曲线和精确的特殊点值是获得正确的等效电路参数结果的必要条件。除此之外，高效太阳能电池i-v曲线中，大部分陡峭的线段存在着较大的误差，所以只有很小部分的数据点能够支撑。
10.(2)参数优化法的不足：由于数据的搜索空间庞大，使该方法需要花费大量机时才能收敛到均方误差的目标精度。在优化过程中，由于存在许多可行的局部极小值点，算法可能会陷入某一局部极小值点，在该点的均方误差的精度达不到目标精度。除此之外，在局部极小值点的解有可能会出现非物理的负值现象。因此，参数优化方法通常不准确、不收敛、依赖于初值等。
11.经验和大量研究表明该解析方法和参数优化方法对当前正在研究的高效太阳能电池的i-v曲线均不适用。


技术实现要素：

12.本发明提出基于等效电路参数可靠提取的高效太阳能电池实时诊断法，在高效太阳能电池的参数提取中表现出稳定性、可靠性和普适性，并能高效地对太阳能电池进行实时诊断。
13.本发明采用以下技术方案。
14.基于等效电路参数可靠提取的高效太阳能电池实时诊断法，用于提取高效太阳能电池的等效电路方程式的参数并进行性能诊断，所述高效太阳能电池的等效电路方程式为
[0015][0016]
其中，i为太阳能电池实时输出电流密度，单位为ma/cm2；v为太阳能电池的实时输出电压，单位为v；i
ph
为太阳能电池的光生电流密度，单位为ma/cm2；io为太阳能电池中二极管反向饱和电流值密度，单位为ma/cm2；q为元电荷；rs为太阳能电池等效的串联电阻；r
sh
为并联电阻；n
id
为理想因子；kb为玻尔兹曼常数；t为温度；
[0017]
所述诊断法中，对等效电路方程式的参数提取方法包括以下步骤；
[0018]
步骤s1、导入由一列电压值和一列电流值构成的测量数据；
[0019]
步骤s2、通过近似求解r
sh
，即数据点微分值dv/di来求出不敏感的参数r
sh
；根据公式四，将i
ph
近似为i
sc
匹配高效能太阳能电池特点，则dv/di的表达式为
[0020][0021]
设高效太阳能电池的等效电路的状态为短路，有i
ph
＝-i
sc
和v＝0，即
[0022]
通过对(0，i
sc
)周围的数据点进行线性拟合来求出r
sh
的值；
[0023]
步骤s3、参数空间约束，具体为：
[0024]
设高效太阳能电池的等效电路的状态为开路，则i＝0和v＝v
oc
，即：
[0025]
[0026]
通过对(v
oc
，0)周围的数据点进行线性拟合求出dv/di的值，确定n
id
与rs的关系，以实现对这两个参数值的约束；
[0027]
步骤s4、非线性拟合，具体为：利用lambert w函数，将公式四转换成以下公式
[0028][0029]
然后，使用非线性最小二乘法进行拟合曲线提取参数，提取参数时，将计算值和测量值之间的均方误差作为判断收敛准确的标准；
[0030]
步骤s5、利用约束求解参数，具体为利用步骤s4所得的参数，根据约束公式七来求解等效电路方程式所需的剩余参数。
[0031]
所述性能诊断方法包括不同光照强度下的性能诊断技术，具体为，在提取等效电路方程式所需参数后，对不同光强下太阳能电池的i-v曲线数据进行拟合，并提取等效电路参数，按参数在不同光照下的变化趋势来对太阳能电池的工作性能进行诊断研究。
[0032]
所述诊断法包括性能实时监控方法，具体为，按太阳能电池的pce、ff、n
id
、rs和io的变化规律和太阳能电池的性能参数，结合器件性能随时间变化规律，来评估得到导致性能衰减的具体原因。
[0033]
在性能实时监控方法中，若太阳能电池rs变小说明传输层制备不成功，太阳能电池rs变大则器件的界面性能发生了改变；若长时间光照性能减低的原因是n
id
上升和io增加，则判定太阳能电池的器件内部光吸收材料发生了变化。
[0034]
所述诊断法用于能量转化效率高于22％和填充因子大于80％的高效太阳能电池。
[0035]
所述高效太阳能电池的能量转化效率大于22％，填充因子ff大于80％，r
sh
的值大于1000ωcm2，rs的值小于5ωcm2，其i-v曲线为陡峭的线型。
[0036]
所述诊断法中，对等效电路方程式的参数求解方法用于钙钛矿太阳能电池、钙钛矿晶体硅叠层太阳能电池、晶体硅太阳能电池或有机太阳电池。
[0037]
所述诊断法还包括不同测量方法下的性能诊断技术，即采用等效电路方程式的参数提取方法，对不同测量方法下高效太阳能电池的i-v曲线数据进行拟合，根据拟合结果来研究太阳能电池器件的性能；所述不同测量方法包括正向扫描和反向扫描。
[0038]
本发明的技术优点在于：
[0039]
1、本发明所述方案稳定，不会产生非物理解、对初始值不敏感。
[0040]
2、本发明通过求解(io，i
ph
，n
id
)或(io，i
ph
，rs)结果的一致性，能引入对优化方法的优劣新的判断依据。
[0041]
3、本发明能适用于钙钛矿太阳能电池、钙钛矿晶体硅叠层太阳能电池、晶体硅太阳能电池、有机太阳电池等电池的参数提取。
[0042]
4、适用于能量转化效率高于22％和填充因子大于80％的高效太阳能电池。
[0043]
5、实现了对不同光照、温度、时间等物理环境下的器件工作状态和性能的实时监控。
附图说明
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0045]
附图1是高性能太阳能电池的等效电路示意图；
[0046]
附图2是本发明的流程示意图；
[0047]
附图3是步骤s4中进行典型i-v曲线拟合的结果示意图；
[0048]
附图4是不同光照强度下的性能诊断技术中的i-v曲线拟合结果(实线)和实验结果(圈点)的对比示意图e
[0049]
附图5是不同光照强度下的性能诊断技术中的参数提取结果示意图(用于展示揭示了在不同程度光强下参数的变化趋势)；
[0050]
附图6是不同测量方法下的性能诊断技术中，正向扫描和反向扫描情况下的拟合结果示意图；
[0051]
附图7是典型高效太阳能器件pce、ff、n
id
、rs和io的变化规律和太阳能电池的性能参数示意图；
[0052]
附图8是高效太阳能电池与常规太阳能电池的i-v曲线对比示意图。
具体实施方式
[0053]
如图所示，基于等效电路参数可靠提取的高效太阳能电池实时诊断法，用于提取高效太阳能电池的等效电路方程式的参数并进行性能诊断，所述高效太阳能电池的等效电路方程式为
[0054][0055]
其中，i为太阳能电池实时输出电流密度，单位为ma/cm2；v为太阳能电池的实时输出电压，单位为v；i
ph
为太阳能电池的光生电流密度，单位为ma/cm2；io为太阳能电池中二极管反向饱和电流值密度，单位为ma/cm2；q为元电荷；rs为太阳能电池等效的串联电阻；r
sh
为并联电阻；n
id
为理想因子；kb为玻尔兹曼常数；t为温度；
[0056]
所述诊断法中，对等效电路方程式的参数提取方法包括以下步骤；
[0057]
步骤s1、导入由一列电压值和一列电流值构成的测量数据；
[0058]
步骤s2、通过近似求解r
sh
，即数据点微分值dv/di来求出不敏感的参数r
sh
；根据公式四，将i
ph
近似为i
sc
匹配高效能太阳能电池特点，则dv/di的表达式为
[0059][0060]
设高效太阳能电池的等效电路的状态为短路，有i
ph
＝-i
sc
和v＝0，即
[0061]
通过对(0，i
sc
)周围的数据点进行线性拟合来求出r
sh
的值；
[0062]
步骤s3、参数空间约束，具体为：
[0063]
设高效太阳能电池的等效电路的状态为开路，则i＝0和v＝v
oc
，即：
[0064][0065]
通过对(v
oc
，0)周围的数据点进行线性拟合求出dv/di的值，确定n
id
与rs的关系，以实现对这两个参数值的约束；
[0066]
步骤s4、非线性拟合，具体为：利用lambert w函数，将公式四转换成以下公式
[0067][0068]
然后，使用非线性最小二乘法进行拟合曲线提取参数，提取参数时，将计算值和测量值之间的均方误差作为判断收敛准确的标准；
[0069]
步骤s5、利用约束求解参数，具体为利用步骤s4所得的参数，根据约束公式七来求解等效电路方程式所需的剩余参数。
[0070]
所述性能诊断方法包括不同光照强度下的性能诊断技术，具体为，在提取等效电路方程式所需参数后，对不同光强下太阳能电池的i-v曲线数据进行拟合，并提取等效电路参数，按参数在不同光照下的变化趋势来对太阳能电池的工作性能进行诊断研究。
[0071]
所述诊断法包括性能实时监控方法，具体为，按太阳能电池的pce、ff、n
id
、rs和io的变化规律和太阳能电池的性能参数，结合器件性能随时间变化规律，来评估得到导致性能衰减的具体原因。
[0072]
在性能实时监控方法中，若太阳能电池rs变小说明传输层制备不成功，太阳能电池rs变大则器件的界面性能发生了改变；若长时间光照性能减低的原因是n
id
上升和io增加，则判定太阳能电池的器件内部光吸收材料发生了变化。
[0073]
所述诊断法用于能量转化效率高于22％和填充因子大于80％的高效太阳能电池。
[0074]
所述高效太阳能电池的能量转化效率大于22％，填充因子ff大于80％，r
sh
的值大于1000ωcm2，rs的值小于5ωcm2，其i-v曲线为陡峭的线型。
[0075]
所述诊断法中，对等效电路方程式的参数求解方法用于钙钛矿太阳能电池、钙钛矿晶体硅叠层太阳能电池、晶体硅太阳能电池或有机太阳电池。
[0076]
所述诊断法还包括不同测量方法下的性能诊断技术，即采用等效电路方程式的参数提取方法，对不同测量方法下高效太阳能电池的i-v曲线数据进行拟合，根据拟合结果来研究太阳能电池器件的性能；所述不同测量方法包括正向扫描和反向扫描。
[0077]
实施例：
[0078]
本例中，在不同光照强度下进行性能诊断时，采用本方案参数提取方法，对不同光强下的i-v曲线数据进行拟合，并提取等效电路参数。例如，图4给出i-v曲线拟合结果(实线)和实验结果(圈点)的对比，图5给出参数提取结果，揭示了在不同程度光强下，参数的变化趋势。这对太阳能电池工作机理的研究提供了更多信息。
[0079]
本例中，在不同测量方法下进行性能诊断时，采用本方案参数提取方法，对不同测
量方法下的i-v曲线数据进行拟合。例如，图6给出一种正向扫描和反向扫描情况下的拟合结果，该结果表明提取的参数给出了更多信息，这些信息可以用于研究器件的性能。
[0080]
本例中，在用于性能实时监控时，采用本方案参数提取方法，对不同时间段的i-v曲线数据进行拟合，并提取等效电路参数。图7给出一种典型高效太阳能器件pce、ff、n
id
、rs和io的变化规律和太阳能电池的性能参数。结合器件性能随时间变化规律，可得到导致性能衰减的具体原因。例如，本案例的应用器件一开始性能提升的原因是rs降低。长时间光照性能减低的原因是n
id
上升和io增加。这分别反应了器件界面和内部材料特性的变化。该技术为器件性能和稳定性的提升提供了更多的指导信息。