基于LabVIEW研究硅光電池特性

戴皓珽，倪 晨，方 愷，何雨華

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

基于LabVIEW研究硅光電池特性

戴皓珽，倪 晨，方 愷，何雨華

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

利用Lab VIEW配合Nextkit數(shù)據(jù)采集卡，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量，研究了硅光電池的照度特性和輸出特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行硅光電池特性實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生了解虛擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)量現(xiàn)代測(cè)量技術(shù).

硅光電池；Lab VIEW；虛擬儀器

1 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)給實(shí)驗(yàn)室研究和工程應(yīng)用帶來變革.其中，以虛擬儀器的出現(xiàn)為代表的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)、研究、分析、監(jiān)控和自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用.近年來，眾多國(guó)內(nèi)外高校開始將虛擬儀器引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中［1］，其應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在兩方面：一是對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試方法和手段進(jìn)行了更新；二是配合傳感器開設(shè)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［2，3］.本文利用Nextkit多功能數(shù)據(jù)采集卡和針對(duì)其開發(fā)的Lab-VIEW虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了硅光電池特性參量的實(shí)時(shí)測(cè)量.

2 Nextkit與Lab VIEW

Nextkit是泛華測(cè)控為工程師和工科院校師生開發(fā)的一款USB信號(hào)萬用儀，在泛華公司開發(fā)的軟件平臺(tái)Nextpad可以實(shí)現(xiàn)包括示波器、波形發(fā)生器、頻率相應(yīng)分析儀等多種常用儀器功能，更可以通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)功能自定義［4］.其大致功能包括：雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器（200 M/s）、任意信號(hào)發(fā)生器（50 M/s）、USB供電模式（無需外接電源）.

根據(jù)Nextkit的功能特性，建立圖1所示的信號(hào)傳輸通道，然后利用泛華測(cè)控提供的二次開發(fā)DLL在Lab VIEW平臺(tái)上對(duì)Nextkit進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了功能自定義.

圖1 Nextkit測(cè)試示意圖

Lab VIEW（Laboratory virtual instrumentation engineering workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是由美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái).該圖形化程序與傳統(tǒng)編程語言的不同點(diǎn)在于程序流程采用“數(shù)據(jù)流”概念，即每部分只要輸入的條件（數(shù)據(jù)、邏輯結(jié)構(gòu)等）具備就會(huì)執(zhí)行，所以是多線程并行運(yùn)行的［5-6］.

Lab VIEW率先引入了特別的虛擬儀表的概念，用戶可以通過人機(jī)界面直接控制自行開發(fā)的儀器.由于Lab VIEW具有特殊的圖形程序及簡(jiǎn)單易懂的開發(fā)接口，縮短了開發(fā)原型的速度以及方便日后的軟件維護(hù)，因此逐漸受到系統(tǒng)開發(fā)以及研究人員的喜愛.目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域.

3 基于LabVIEW平臺(tái)的實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

在基于Lab VIEW平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)中，使用虛擬儀器（以下簡(jiǎn)稱VI）對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且產(chǎn)生實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)圖表.其程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示.

圖2 測(cè)量程序流程圖

在VI程序的實(shí)現(xiàn)方法上，首先利用泛華測(cè)控提供的針對(duì)Nextkit編寫的二次開發(fā)DLL在Lab VIEW平臺(tái)上開發(fā)出了用于測(cè)試的子VIs，用于向Nextkit輸入命令.

程序運(yùn)行的主體是嵌套在WHILE循環(huán)中的事件結(jié)構(gòu)，由按鈕的“MouseDown”事件觸發(fā).在事件結(jié)構(gòu)中首先讓Nextkit讀取數(shù)據(jù)，它會(huì)自動(dòng)將兩通道的數(shù)據(jù)分別以數(shù)組的形式存儲(chǔ)在緩存空間中.之后任務(wù)連接到用于獲取數(shù)據(jù)特征值的子VI，實(shí)驗(yàn)中一般采用“平均值”得到的電平較為理想.讀取電平程序框圖如圖3所示.

圖3 讀取電平程序框圖

將每次執(zhí)行時(shí)間結(jié)構(gòu)得到的“平均值”通過輸入到數(shù)組函數(shù)“Build Array”，并將這個(gè)函數(shù)的輸出接到自己的輸入，構(gòu)成自循環(huán)，它的輸出就是開路電壓的數(shù)組.

將這2個(gè)數(shù)組編成簇的形式輸入“Volt-Ampere curve”，前面板上就可以一步一步顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表，程序框圖如圖4所示.

圖4 建立數(shù)組與輸出圖像程序框圖

以上是利用VI實(shí)時(shí)測(cè)量電壓數(shù)據(jù)的基本方法.

4 利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)行硅光電池特性研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

硅光電池作為一種新型能源，在光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)、光能利用等很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.對(duì)硅光電池光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，有助于了解用以表征光電器件性能的研究方法及其技術(shù)手段，因此，很多高校都開設(shè)了硅光電池特性的研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)的電壓表、電流計(jì)、數(shù)字萬用表等進(jìn)行測(cè)量，學(xué)生很難準(zhǔn)確判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律.只有通過進(jìn)一步作圖，才能對(duì)其有較為直觀的了解.另一方面，為了獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，往往需要測(cè)量較多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力.因此利用Lab-VIEW虛擬儀器平臺(tái)在測(cè)量方式上進(jìn)行了改進(jìn).

4.1 測(cè)定照度特性

當(dāng)有光照時(shí)，光子會(huì)在硅光電池內(nèi)部激發(fā)電子-空穴對(duì)，如果在兩端加負(fù)載時(shí)有光生電流，其電流強(qiáng)度為

當(dāng)硅光電池在開路狀態(tài)時(shí)（I＝0），開路電壓為

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用恒流源驅(qū)動(dòng)LED，光照使硅光電池產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì).把開路電壓的兩端以差分電壓的形式接入數(shù)據(jù)采集卡的輸入通道1，再通過USB將采集卡與計(jì)算機(jī)連接.手動(dòng)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流，然后點(diǎn)擊“GET DCV”按鈕，表格第2行就會(huì)自動(dòng)記錄對(duì)應(yīng)的電池電壓，如圖5所示.在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)下方的坐標(biāo)系自動(dòng)將新記錄的數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整，從而自動(dòng)繪制照度曲線.坐標(biāo)的橫軸代表LED的驅(qū)動(dòng)電流，縱軸代表光伏電池的開路電壓.

圖5 照度特性用戶界面

可以看到，在用戶界面上實(shí)時(shí)描繪出的這條曲線在實(shí)驗(yàn)過程中符合式（2）所描述的對(duì)數(shù)關(guān)系.

4.2 測(cè)定輸出特性

硅光電池的輸出功率與其外部負(fù)載電阻有關(guān).在一定的照度下，輸出功率達(dá)到最大值時(shí)的負(fù)載電阻Rm稱為最佳負(fù)載電阻，此時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率最高.最佳負(fù)載電阻Rm會(huì)隨光強(qiáng)變化.

比起之前測(cè)量開路電壓的電路，僅需給電池加上負(fù)載電阻，從而形成穩(wěn)定的電流回路即可進(jìn)行這一部分的實(shí)驗(yàn).為實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)計(jì)算，將這一步和負(fù)載功率曲線的繪制放在一起，點(diǎn)擊前面板上的“get the curve”按鈕，觸發(fā)圖6中的事件結(jié)構(gòu)，前面板自動(dòng)分析計(jì)算功率并繪制負(fù)載功率曲線.值得注意的是因?yàn)樵赩I的另一個(gè)并行線程下使用電壓和電阻的數(shù)組，所以需要使用圖6中所示的局部變量.其運(yùn)行結(jié)果如圖7所示，橫軸是負(fù)載電阻R，縱軸為作用在R上的輸出功率.

圖6 繪制負(fù)載功率曲線程序框圖

圖7 負(fù)載功率曲線

通過圖形可以發(fā)現(xiàn)，最佳負(fù)載電阻Rm的取值在1.1 kΩ左右.在最佳負(fù)載電阻值以下，電池輸出功率隨負(fù)載電阻R的增大而急速增加；超過了最佳負(fù)載電阻值，輸出功率以相對(duì)較平緩的速率下降，最終趨向于零.值得注意的是，隨著R的增大，電池加在R兩端的電壓始終是增加的，只是增加速率漸緩了.

5 結(jié)束語

用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行了硅光電池特性的研究與應(yīng)用，省去了電壓表、電流表等較為笨重的儀器，且使得學(xué)生免去了在學(xué)習(xí)時(shí)除實(shí)驗(yàn)操作基本技能外的機(jī)械重復(fù)的動(dòng)作，如數(shù)據(jù)記錄、描繪曲線等，使得操作和結(jié)果可以更直接地聯(lián)系在一起，也可以讓學(xué)生更直觀地理解實(shí)驗(yàn)的原理.

［1］ 張玉峰，何方，朱德權(quán).虛擬儀器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)，2006，19（3）：

［2］ 楊楊，王錦輝.虛擬儀器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.物理與工程，2009，19（1）：26-28.

［3］ 余觀夏，林揚(yáng)帆，蘇峻，等.振動(dòng)法同時(shí)測(cè)定動(dòng)態(tài)楊氏模量和剪切模量［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（3）：1-3.

［4］ 泛華測(cè)控.Nextkit［使用說明/PDF］［EB/OL］.http：//nextpad.wordpress.com/？s＝Nextkit，2014.

［5］ 賈慧芹.虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：170-173.

［6］ 周求湛，劉萍萍，錢志鴻.虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：1-13.

［責(zé)任編輯：任德香］

Study of the properties of photovoltaic cells based on LabVIEW

DAI Hao-ting，NI Chen，F(xiàn)ANG Kai，HE Yu-hua
（School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

The properties of photovoltaic cells were studied based on Lab VIEW and the graphic programming platform developed by National Instruments.With the help of an data acquisition card，based on Nextkit of Pansino Solutions，real-time measurement to make the experiment audio-visual was implemented.That was convinient for students to learn the modern measurement techniques，such as virtual instruments，dynamic measurement and so on.

photovoltaics；Lab VIEW；virtual instruments

O4-39

A

1005-4642（2014）10-0018-03

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2014-06-24；修改日期：2014-07-25

戴皓珽（1994－），男，浙江杭州人，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院2012級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：倪 晨（1971－），男，上海人，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院高級(jí)工程師，碩士，主要從事凝聚態(tài)物理科研與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.