Đo đặc tính pin mặt trời: đường cong I-V và hiệu suất chuyển đổi

Hai tấm pin mặt trời cùng một dây chuyền, cùng một lô, cho ra hai con số hiệu suất chênh nhau 0,4 điểm phần trăm. Câu hỏi đặt ra không phải “tấm nào tốt hơn” mà “phép đo có đủ tin cậy để kết luận không”. Ở mức chênh lệch ấy, sai số do nhiệt độ tấm pin, do tốc độ quét điện áp, hay do một cặp dây đo mắc sai kiểu, đều đủ lớn để đảo ngược kết quả. Đo pin mặt trời là bài toán mà phần khó nằm ở việc kiểm soát điều kiện, không nằm ở việc đọc số.

Bài viết trình bày cách dựng đường cong I-V theo IEC 60904-1, các tham số rút ra từ đường cong đó, và những yêu cầu mà thiết bị nguồn-đo phải đáp ứng để phép đo có ý nghĩa.

Đường cong I-V và các tham số cần đo pin mặt trời

Tế bào quang điện là một nguồn phát: khi được chiếu sáng, nó sinh dòng theo chiều ngược với chiều thuận của một điốt. Trên mặt phẳng V–I, điểm làm việc của nó nằm ở góc phần tư thứ tư — điện áp dương, dòng âm. Đây là chi tiết quyết định việc chọn thiết bị, và chúng ta sẽ quay lại ngay dưới đây.

Quét điện áp từ 0 tới hở mạch và ghi dòng tương ứng sẽ cho đường cong I-V, từ đó rút ra bốn nhóm tham số:

• Dòng ngắn mạch I_sc — dòng khi điện áp bằng 0, tỉ lệ gần như tuyến tính với cường độ bức xạ.
• Điện áp hở mạch V_oc — điện áp khi dòng bằng 0, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và giảm khi nhiệt độ tăng.
• Điểm công suất cực đại P_max, với cặp giá trị V_mp và I_mp. Đây là điểm mà bộ điều khiển MPPT trong thực tế cố bám theo.
• Hệ số lấp đầy FF = P_max / (I_sc × V_oc), một số không thứ nguyên đo mức độ “vuông” của đường cong. FF thấp là dấu hiệu điện trở nối tiếp cao hoặc điện trở song song thấp.

Hiệu suất chuyển đổi được tính bằng η = P_max / (E × A), với E là cường độ bức xạ tới và A là diện tích tấm pin. Vì cả E và A đều nằm ở mẫu số, sai số của phép đo bức xạ và phép đo diện tích đi thẳng vào kết quả hiệu suất — điều thường bị bỏ qua khi người ta chỉ tập trung tranh luận về độ chính xác của thiết bị điện.

Điều kiện thử chuẩn: vì sao mọi số liệu đều phải quy về STC

Tiêu chuẩn IEC 60904-1 (bản Edition 3.0, phát hành tháng 9/2020) quy định quy trình đo đặc tính dòng–áp của thiết bị quang điện dưới ánh sáng tự nhiên hoặc mô phỏng, áp dụng cho tế bào đơn, cụm tế bào và mô-đun hoàn chỉnh không hội tụ, dùng trên mặt đất. Tiêu chuẩn bao trùm kỹ thuật đo, tiêu chí ổn định, và cách quy đổi kết quả về điều kiện báo cáo chuẩn.

Điều kiện thử chuẩn (STC) gồm ba yếu tố: cường độ bức xạ 1 000 W/m², nhiệt độ tấm pin 25 °C, và phổ chiếu tham chiếu AM1.5 toàn cầu được định nghĩa trong IEC 60904-3.

Ba yếu tố này ràng buộc lẫn nhau và đều khó giữ:

• Nhiệt độ là biến số khắc nghiệt nhất. V_oc của silic tinh thể giảm khi nhiệt độ tăng, nên một tấm pin đo lúc 45 °C sẽ cho hiệu suất thấp hơn hẳn so với cùng tấm ấy đo ở 25 °C. Nhiệt độ phải được đo tại chính tấm pin, không phải nhiệt độ phòng, và phải ghi lại cùng số liệu điện.
• Phổ nguồn sáng quan trọng ngang cường độ. Hai nguồn sáng cùng cho 1 000 W/m² nhưng khác phân bố phổ sẽ cho I_sc khác nhau, vì đáp ứng phổ của tế bào không phẳng. Đây là lý do bộ mô phỏng mặt trời được phân hạng theo độ khớp phổ chứ không chỉ theo cường độ.
• Tế bào tham chiếu phải cùng công nghệ với mẫu đo, nếu không việc hiệu chỉnh cường độ bức xạ sẽ mang theo sai số phổ.

Yêu cầu với thiết bị: bốn góc phần tư và bốn dây đo

Vì tế bào quang điện phát công suất, thiết bị nối vào nó phải hấp thụ dòng chứ không cấp dòng. Một nguồn DC thông thường chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất nên không dùng được. Thiết bị phù hợp là nguồn-đo SMU, vốn làm việc ở cả bốn góc phần tư và quét mượt qua điểm không.

Keysight B2902B là SMU hai kênh thuộc series B2900B, độ phân giải nguồn và đo nhỏ nhất 10 fA / 100 nV, dải tới ±210 V và ±3 A một chiều (±10,5 A ở chế độ xung). Với tế bào đơn hoặc mô-đun nhỏ, một kênh làm nhiệm vụ quét V và đo I, kênh còn lại có thể đọc tín hiệu từ tế bào tham chiếu hoặc cảm biến nhiệt.

Khi cần đo đồng thời nhiều mẫu, hoặc khi dòng tối và dòng rò ở vùng rất thấp mới là đối tượng quan tâm, kiến trúc mô-đun có lợi hơn. Keysight E5270B là máy phân tích I-V chính xác với tám khe cắm, dải đo 0,1 fA – 1 A và 0,5 µV – 200 V; mô-đun HRSMU kết hợp với khối ASU cho độ phân giải dòng 0,1 fA, còn khối đất tích cực GNDU trong khung máy giữ mức 0 V và hấp thụ dòng tới 4 A. Với các nghiên cứu vật liệu cần cả đặc tính sáng và đặc tính tối trên cùng một mẫu, Keysight B1500A bổ sung các phép đo C-V và phân tích bẫy điện tích.

Bốn dây là bắt buộc, không phải tuỳ chọn. Với I_sc cỡ vài ampe, một cặp dây đo có điện trở 50 mΩ sẽ tạo sụt áp hàng trăm millivolt — đủ để dịch cả đường cong và làm sai hệ số lấp đầy. Cặp dây cảm biến phải bắt đúng vào thanh góp của tấm pin, càng gần vùng hoạt động càng tốt.

Quy trình đo và các bẫy thực hành

1. Ổn định mẫu trước khi quét. Một số công nghệ tế bào cần thời gian ổn định dưới ánh sáng; IEC 60904-1 có quy định tiêu chí ổn định cho việc này. Quét quá sớm cho kết quả không lặp lại.
2. Chọn tốc độ quét đủ chậm. Điện dung của tấm pin kết hợp với tốc độ quét nhanh sinh ra hiện tượng trễ: quét xuôi và quét ngược cho hai đường khác nhau. Cách kiểm tra đơn giản là quét cả hai chiều; nếu hai đường không trùng, hãy giảm tốc độ cho tới khi chúng trùng.
3. Ghi nhiệt độ đồng thời với số liệu điện, không ghi sau. Chênh lệch vài giây trong quá trình chiếu sáng đã đủ làm nhiệt độ trôi.
4. Lấy nhiều điểm quanh điểm công suất cực đại. Quét cách đều toàn dải cho độ phân giải kém đúng ở vùng quan trọng nhất. Nhiều điểm quanh V_mp giúp xác định P_max chính xác hơn nhiều so với việc tăng tổng số điểm.
5. Đo cả đường cong tối. Đặc tính trong bóng tối cho phép tách điện trở nối tiếp và điện trở song song — hai đại lượng giải thích vì sao FF thấp, điều mà đường cong sáng một mình không nói được.

Nguyên lý đo đặc tính của linh kiện quang điện tử ở chiều ngược lại — tức linh kiện phát quang — được trình bày trong bài Đo đặc tính điốt laser và photodiode: dòng ngưỡng, hiệu suất và bẫy nhiệt.

Chọn thiết bị Keysight để đo pin mặt trời

• Đo mô-đun hoặc tế bào đơn, cần bốn góc phần tư, ngân sách gọn: B2902B, hai kênh, đủ cho quét I-V và đọc tế bào tham chiếu.
• Phòng thí nghiệm vật liệu, cần dòng tối cỡ femto-amp và nhiều kênh: E5270B với mô-đun HRSMU và khối ASU.
• Cần thêm đặc tính C-V và phân tích khiếm khuyết: B1500A.

Dù chọn cấu hình nào, hãy nhớ rằng con số hiệu suất chỉ có giá trị khi kèm theo điều kiện đo. Một báo cáo ghi “η = 22,1 %” mà không ghi cường độ bức xạ, nhiệt độ tấm pin và phổ nguồn sáng thì không kiểm chứng được, và do đó không so sánh được với bất kỳ báo cáo nào khác.

Kết luận

Đo pin mặt trời chính xác đòi hỏi ba điều kiện đồng thời: thiết bị làm việc được ở góc phần tư thứ tư với đấu nối bốn dây, điều kiện chiếu sáng và nhiệt độ được kiểm soát và ghi nhận theo IEC 60904-1, và tốc độ quét chậm đủ để loại trễ điện dung. Thiếu bất kỳ điều nào trong ba, con số hiệu suất thu được sẽ lặp lại được trong nội bộ nhưng không so sánh được với bên ngoài.

Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho các thiết bị nguồn-đo và phân tích tham số. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hệ đo đặc tính quang điện.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.