Güneş hücren SMU'da neden negatif akım okur? Cihazın sana söylediği dört şey daha

Küçük bir güneş hücresini lambanın altına koyuyor, source-measure unit'e (SMU) bağlıyor, gerilim taramasını başlatıyorsun. İlk okuma: +0,45 V, −39,1 mA. Akımın önünde eksi var. Birçok öğrenci bu noktada kabloları ters çevirir. Yapma: o eksi işareti, cihazın hücrenin güç ürettiğini doğru biçimde söylemesidir.

Bu rehber ekranda gerçekten gördüklerini adım adım izliyor. Her bölümde kural, kendin kontrol edebileceğin bir sayı ve neyin bozulduğu var. Bütün sayılar tek bir uydurma örnek hücreden geliyor: kısa devre akımı Isc = 40 mA, açık devre gerilimi Voc = 0,60 V, 0,50 V'ta yaklaşık 36,7 mA (solar-cell-parameters videomuzdaki örneğin aynısı). Bunlar öğretim değerleri, ölçüm değil.

1. Eksi işareti: dört kadran, iki görev

SMU, V–I düzleminin dört kadranında da çalışabilir. I ve III. kadranda gerilim ile akım aynı işaretlidir: SMU kaynaktır ve güç verir. II ve IV. kadranda işaretler zıttır: SMU yüktür (sink) ve güç soğurur; başka bir kaynak ona akım bastığında olan budur [S2].

Aydınlık hücre tam da böyle bir kaynaktır. SMU gerilimi 0 V ile Voc arasında tuttuğunda hücre, pozitif kontağından SMU'ya akım iter. Cihaz kendi HI ucundan dışarı çıkan akımı pozitif sayar; bu yüzden V > 0, I < 0 gösterir: IV. kadran. Keithley'nin güneş hücresi notu da bunu söyler: SMU'lar akım soğurabildiği için aydınlık eğri dördüncü kadrandan geçer ve hücreden güç çekilir [S1].

Kendin kontrol et. 0,50 V'ta örnek hücre 36,7 mA verir. SMU +0,50 V ve −36,7 mA okur; SMU'ya giren güç V × I = −18,4 mW'tır. İşaret "soğuruldu" der: hücre +18,4 mW verir.

Ne bozulur:

• İşareti "düzeltmek" için uçları ters çevirmek. O zaman hücrenin negatif kontağı HI'a gelir ve 0 V'tan +Voc'ye tarama artık eğrinin üreten kısmında ilerlemez. Force HI pozitif kontakta kalsın, grafiği çevir: not, grafiğin gerilim ekseni etrafında nasıl ters çevrileceğini gösterir [S1].
• Soğurma sınırlarını unutmak. Soğurulan güç de SMU'nun harcaması gereken güçtür; kaynak ve sink sınırları ayrı ayrı tanımlıdır [S2].

2. Birkaç yüzde düşük gerilim: iki tel mi, dört tel mi?

Akım kablolardan geçmek zorundadır ve her kablonun direnci vardır. Akımı taşıyan iki tel gerilimi de ölçerse, okuma kablo boyunca düşen gerilimi de içerir. Dört telli (Kelvin) bağlantıda akımı force çifti taşır; hücrenin kontaklarına dokunan ayrı bir sense çifti gerilimi ölçer ve kablo direncini telafi eder [S1][S2].

Kendin kontrol et. Önce yuvarlak sayılar: 1 Ω'luk kablodan geçen 40 mA, 40 mV düşüm yaratır. Örnek eğride 0,50 V'ta akım 36,7 mA'dir, düşüm de 36,7 mV olur. Üreten hücre bu akımı kablolardan kendisi sürdüğü için uzak uç daha düşüktür: iki telli SMU 0,500 V yerine 0,463 V okur, yaklaşık %7 düşük. Hesapladığın güç 18,4 mW'tan 0,463 × 36,7 ≈ 17,0 mW'a iner.

Ne bozulur:

• Sense uçlarını hücreye değil kabloya takmak. Sense yalnızca iki temas noktası arasındakini dışarıda bırakır; uçlar hücrenin kendi kontaklarına insin.
• Hatayı sabit sanmak. Düşüm akım × dirençtir; en büyük olduğu yer akımın en büyük olduğu yerdir: eğrinin düz, yüksek akımlı kısmı.

3. Düz raf: Isc'nin altında bir akım limiti

Her SMU'nun compliance denen bir koruma limiti vardır. Gerilim kaynağıyken akım bu değerde kenetlenir. Kılavuz sonrasını açıkça yazar: cihaz ölçmeye devam eder, akım okuması limitte kalır ve gerilim programlanan değer değildir [S2].

Güneş hücresinde bunun çarpıcı bir sonucu var. 0 V civarında hücre tam kısa devre akımını itmek ister. Limit Isc'nin altındaysa SMU düşük gerilimleri tutamaz: hücrenin gerilimi, akımı limite inene kadar yükselir.

Kendin kontrol et. 40 mA'lik örnek hücreye 25 mA limit koy. Hücre tam 25 mA'i V = 0,04 V × ln(15 / I0 + 1) ≈ 0,56 V'ta verir; burada I0 = 40 mA / (e¹⁵ − 1). 0,56 V'un altına programlanan her adım −25 mA okur, hücre ise aslında 0,56 V civarındadır. 0–0,60 V'u 0,04 V adımlarla tara: 16 noktanın 15'i limitte kalır. Programlanan gerilime karşı çizersen düz bir raf ve 40 yerine 25 mA'lik bir "Isc" görürsün, %37,5 düşük.

Ne bozulur:

• Rafı hücrenin özelliği sanmak. O cihazdır. Compliance noktalarını işaretle (çoğu yazılım bunları bildirebilir ya da testi durdurabilir [S2]) ve asla fit etme.
• Limiti alışkanlıkla seçmek. Evrensel bir değer yok: hücrenin akımının üstünde ve cihaz aralığının içinde seç. 4200 notu, hücre akımı SMU'nun soğurabileceğinden büyükse hücre alanını küçültmeyi de önerir [S1].

4. Merdiven: adım, bekle, oku

İleri tarama gerilimi 0 V'tan Voc'ye doğru adım adım artırır ve her adımda akımı ölçer [S1][S2]. Her adımdan sonra akımın oturması gerekir: kaynak, kablolar ve hücrenin kendi kapasitansı tepki verir. SMU'nun gecikme ayarları bunun için vardır; çıkışta kapasitans arttıkça daha uzun oturma süresi gerekir [S2] ve büyük hücrelerin kapasitansı da büyüktür, bu da uzun oturma süresi demektir [S1].

Kendin kontrol et. Bekleme birikir: adım başına uydurma bir 50 ms gecikmeyle 61 nokta, integrasyon süresinden önce yalnızca beklemeye 61 × 0,05 s = 3,05 s harcar. Nokta sayısını ya da gecikmeyi yarıya indirirsen tarama hızlanır; ama okumaları oturmamış bırakma riski yalnızca ikincisinde var.

Ne bozulur:

• Geçici akımın içinde okumak. Nokta gerçek eğrinin dışına düşer. Gerilim ve akım birlikte, aynı oturmuş adımda okunmalı.
• Başkasının gecikmesini kopyalamak. Tek doğru gecikme yok; hücreye, kablolara ve aralığa bağlıdır. Dene: daha uzun gecikme eğriyi değiştiriyorsa kısa olan oturmamıştı.

5. Karanlık eğri: aynı hücre, artık sadece bir diyot

İdeal hücre denklemi I = IL − I0[exp(qV/kT) − 1]'dir: ışıkla üretilen akım eksi diyot akımı [S3]. Işığı kapatınca IL = 0 olur. Geriye bir diyot kalır: eğri sıfırdan geçer ve ileri yönde gerilim ile akım aynı işaretlidir. Bu I. kadrandır; gücü SMU verir. Işığı açınca bütün eğri ışık akımı kadar aşağı kayar ve IV. kadrana döner.

Kendin kontrol et. Karanlıkta +0,55 V'ta örnek diyottan I0 × (e^13,75 − 1) ≈ 11,5 mA geçer; SMU +0,55 V, +11,5 mA okur ve yaklaşık 6,3 mW verir. Işık altında aynı gerilimde hücreden 40 − 11,5 = 28,5 mA çıkar; SMU −28,5 mA görür.

Eğri ışığa ve sıcaklığa bağlı olduğu için (T diyot teriminin içinde) koşulları yazılmamış bir sonuç pek bir şey söylemez. NREL performansı referans sıcaklık, toplam ışınım ve spektruma göre raporlar, her eğriyle birlikte ışınımı ve hücre sıcaklığını ölçer ve hücre alanını kritik sayar [S4]. Her taramayla hepsini kaydet.

6. SMU yoksa: elektronik yükler

Elektronik yük ve ölçerlerle de eğri çizilebilir; ama Isc'yi yakalamak için yük 0 V'a inebilmelidir. Keysight, N3300 serisi için açık sözlü: 3 V'un altında performans düşer, 0 V'ta yüke hiç akım akamaz; çözüm, yükün hep 3 V ve üstünde çalışması için seri bağlanan bir destek (boost) güç kaynağıdır [S5]. Bazı yükler sıfır volt civarında sorunsuzdur, bazıları değildir: kısa devre ucuna güvenmeden önce düşük gerilim özelliğini kontrol et.

Kendin kontrol et. Tek bir hücre 0–0,60 V arasında çalışır. Seri 3 V'luk destek kaynağıyla yük yaklaşık 3,0–3,6 V görür, yani çalışma aralığının içinde kalır; hücre ise yine kısa devreden açık devreye taranır.

"Başlat"a basmadan önce beş satırlık kontrol listesi

1. İşaret: Force HI pozitif kontakta; ışık altında V > 0, I < 0 bekle.
2. Bağlantı: dört tel, sense uçları hücrenin kendi kontaklarında.
3. Limit: compliance Isc'nin üstünde; limitte kalan her noktayı işaretle.
4. Zamanlama: denenmiş bir gecikme, her karşılaştırmada aynısı.
5. Kayıt: ışınım, spektrum, hücre sıcaklığı, alan, tarama aralığı ve zamanlaması, limitler.

SMU'ya bağlı bir güneş hücresi, birbiriyle konuşan iki güç kaynağıdır. İşareti oku, gerilimi hücrede ölç, limiti yoldan çek, her adımı oturt ve ışığı kaydet.

Kendin dene

1. SMU +0,45 V ve −39,1 mA gösteriyor. Hücre üretiyor mu, ne kadar güç? Evet: işaretler zıt, IV. kadran. P = 0,45 V × 39,1 mA ≈ 17,6 mW, hücre veriyor.
2. İki tel, toplam 0,5 Ω kablo, gerçek hücre gerilimi 0,50 V (36,7 mA). SMU ne okur? Düşüm = 36,7 mA × 0,5 Ω ≈ 18 mV; yaklaşık 0,482 V.
3. Örnek hücrede limit 30 mA'e çıkarıldı. Hangi gerilime kadar noktalar limitte kalır? V = 0,04 × ln(10 / I0 + 1) ≈ 0,54 V.
4. Karanlık taramada +0,55 V'ta +11,5 mA okunuyor. Gücü kim veriyor? İşaretler aynı, I. kadran: SMU yaklaşık 6,3 mW veriyor.