Pam mae cysylltiadau Kelvin yn bwysig wrth brofi I-V celloedd solar

Wrth nodweddu celloedd solar, mae cywirdeb mesur yn hollbwysig! Gall gwallau bach mewn darlleniadau foltedd effeithio’n sylweddol ar baramedrau a gyfrifir, fel y ffactor llenwi, y gwrthiant cyfres a’r effeithlonrwydd. Un o’r ffynonellau gwall mwyaf cyffredin mewn mesuriadau I-V yw gwrthiant y gwifrau, a’r ateb yw cysylltiadau Kelvin (4 gwifren).

Y broblem: gwrthiant y gwifrau

Mewn mesuriad 2 wifren safonol, mae’r un gwifrau sy’n cludo cerrynt i’ch dyfais hefyd yn mesur y foltedd. Mae hyn yn creu problem sylfaenol: yn ôl deddf Ohm, caiff y gostyngiad foltedd ar draws gwrthiant y gwifrau ei gynnwys yn eich mesuriad.

Ystyriwch drefniant nodweddiadol lle mae cyfanswm gwrthiant y gwifrau prawf yn 0.1Ω. Os ydych yn mesur cell solar sy’n cynhyrchu 100mA ar ei phwynt pŵer uchaf, mae deddf Ohm yn dweud wrthym:

V_error = I × R_lead = 0.1A × 0.1Ω = 10mV

Gall gwall o 10mV ymddangos yn fach, ond ar gyfer cell solar â Voc o 0.6V, mae hyn yn wall o 1.7% o’i gymharu â Voc, ac mae’r gwall yn tyfu gyda’r cerrynt. O gwmpas y pwynt pŵer uchaf, lle mae’r ceryntau bron ar eu huchaf, gall y gwall foltedd hwn effeithio’n sylweddol ar effeithlonrwydd mesuredig eich cell!

Defnyddiwch y gyfrifiannell ryngweithiol isod i weld sut mae gwrthiant y gwifrau yn effeithio ar eich mesuriadau:

Sut mae hyn yn effeithio ar eich canlyniadau

Nid symud eich cromlin I-V yn unig y mae gwallau gwrthiant y gwifrau; maent yn ei hystumio mewn ffyrdd sy’n difetha’r paramedrau rydych yn eu hechdynnu:

Ffactor llenwi

Mae’r ffactor llenwi yn arbennig o sensitif i wallau foltedd ger y pwynt pŵer uchaf. Mae gwrthiant y gwifrau yn gwneud i’r gromlin I-V edrych yn fwy ‘crwn’, gan leihau’r ffactor llenwi a gyfrifir yn artiffisial. Gallai dyfais â gwir FF o 0.78 gael ei mesur yn 0.74, sy’n wahaniaeth sylweddol wrth gymharu perfformiad dyfeisiau.

Gwrthiant cyfres

Caiff gwrthiant y gwifrau ei ychwanegu’n uniongyrchol at y gwrthiant cyfres a gyfrifwch. Os ydych yn ceisio mesur Rs cynhenid eich cell solar er mwyn optimeiddio meteleiddio’r cysylltiadau, byddwch yn mesur eich trefniant prawf yn lle eich dyfais.

Effeithlonrwydd

Gan fod yr effeithlonrwydd yn dibynnu ar Voc, Isc ac FF, mae gwallau yn unrhyw un o’r rhain yn cyrraedd eich gwerth PCE terfynol. Mewn gwaith ymchwil lle rydych yn olrhain gwelliannau bach, graddol ym mherfformiad dyfeisiau, gall yr ansicrwydd hwn guddio cynnydd go iawn (heb sôn am y posibilrwydd o leihau ffactor effaith eich papur!).

Yr ateb: mesur Kelvin 4 gwifren

Mae’r diagram isod yn dangos y prif wahaniaeth rhwng trefniant mesur 2 wifren a threfniant 4 gwifren.

Mewn trefniant 2 wifren, mae’r ffynhonnell gerrynt a’r foltmedr yn rhannu’r un pâr o wifrau. Mae’r foltmedr yn mesur wrth derfynellau’r SMU, felly mae gwrthiant y gwifrau (a ddangosir fel y gwrthyddion igam-ogam) wedi’i gynnwys yn y darlleniad foltedd. Mae unrhyw gerrynt sy’n llifo drwy’r gwrthiannau hyn yn creu gostyngiad foltedd sy’n difetha’ch mesuriad.

Mewn trefniant 4 gwifren, mae gan y ffynhonnell gerrynt ei gwifrau force ei hun, tra bo’r foltmedr yn defnyddio gwifrau sense ar wahân sy’n cysylltu’n uniongyrchol wrth derfynellau’r ddyfais. Gan nad yw’r gwifrau sense yn cludo bron dim cerrynt (nanoamperau fel arfer ar gyfer y miniSMU MS01), mae’r gostyngiad foltedd ar draws eu gwrthiant yn ddibwys; mae’r foltmedr yn gweld gwir foltedd y ddyfais, waeth pa mor hir neu wrthiannol yw’r gwifrau force.

Gweld y gwahaniaeth

Mae’r siart rhyngweithiol isod yn dangos sut mae gwrthiant y gwifrau yn ystumio’r gromlin I-V a fesurwch. Mae’r gromlin werdd yn cynrychioli gwir nodweddion y ddyfais (yr hyn y byddech yn ei fesur gyda mesur 4 gwifren), tra bo’r gromlin goch yn dangos yr hyn y byddech yn ei fesur mewn gwirionedd gyda chysylltiadau 2 wifren. Addaswch y llithryddion i weld sut mae paramedrau’r ddyfais a gwrthiant y gwifrau yn effeithio ar y gwall mesur:

Defnyddio cysylltiadau Kelvin gyda’r miniSMU

Mae’r miniSMU MS01 yn cefnogi mesur Kelvin 4 gwifren drwy ddefnyddio ei ddyluniad dwy sianel:

1. Mae sianel 1 yn gweithredu fel y sianel force, gan gyflenwi foltedd a mesur cerrynt
2. Mae sianel 2 yn gweithredu fel y sianel sense, gan fesur foltedd â rhwystriant uchel

Pryd i ddefnyddio’r modd 4 gwifren

Argymhellir mesur 4 gwifren yn yr achosion hyn:

• Pan fo ceryntau uchel: Mae’r gwall foltedd yn cynyddu’n gymesur â’r cerrynt, felly mae’n fwyaf hollbwysig ger Isc
• Pan ddefnyddir ceblau hir neu denau: Mae gwrthiant uwch yn y gwifrau yn golygu gwallau mwy. Efallai fod eich cell solar ar ben draw gwifrau hir sy’n ymlusgo y tu mewn i flwch menig (glovebox)!
• Pan fydd angen gwerthoedd gwrthiant cyfres cywir arnoch: Hanfodol ar gyfer astudiaethau i optimeiddio cysylltiadau
• Wrth gymharu dyfeisiau’n feintiol: Mae’n dileu amrywiadau sy’n dibynnu ar y trefniant
• Wrth gyhoeddi neu adrodd canlyniadau: Mae’n sicrhau bod eich data’n adlewyrchu’r ddyfais, nid eich ceblau

Ar gyfer mesuriadau sgrinio cyflym, neu gymariaethau cymharol lle nad yw cywirdeb absoliwt yn hollbwysig, gall mesuriadau 2 wifren fod yn ddigon.

Trefnu’r cysylltiadau

Cysylltwch eich cell solar fel a ganlyn:

Dylid gwneud y cysylltiadau sense (CH2) mor agos at y ddyfais â phosibl, yn ddelfrydol yn uniongyrchol wrth badiau cyswllt neu derfynellau’r ddyfais.

Galluogi’r modd 4 gwifren

Mae’r modd 4 gwifren ar gael yn ap miniSMU, drwy lyfrgell Python minismu_py, neu drwy anfon gorchmynion yn uniongyrchol.

Yn ap miniSMU:

1. Cysylltwch â phorth y miniSMU
2. Ewch i’r tab ‘About’
3. Trowch 4-Wire Mode ymlaen
4. Bydd sianel 2 yn cael ei ffurfweddu’n awtomatig ar gyfer synhwyro â rhwystriant uchel pan fydd sianel 1 yn weithredol ar gyfer mesuriadau

Pan fydd y modd 4 gwifren yn weithredol, mae’r ap yn dangos gwir foltedd y ddyfais o sianel 2, tra bo sianel 1 yn ymdrin â’r mesuriad cerrynt. Ni allwch ddefnyddio sianel 2 fel sianel SMU ar wahân tra bo’r modd 4 gwifren yn weithredol.

API Python

Os ydych yn awtomeiddio mesuriadau gyda Python gan ddefnyddio llyfrgell minismu_py, galluogwch y modd 4 gwifren fel hyn:

from minismu_py import SMU

smu = SMU()
smu.connect("COM3")  # Replace with your port

# Enable 4-wire Kelvin sensing
smu.enable_fourwire_mode()

# Configure CH1 for voltage sourcing
smu.set_mode(1, "FVMI")

# Run an I-V sweep - returns CH1 current + CH2 voltage
result = smu.run_iv_sweep(
    channel=1,
    start_voltage=-0.1,
    end_voltage=0.7,
    points=100,
    dwell_ms=50
)

# Disable 4-wire mode when done
smu.disable_fourwire_mode()

Gallwch hefyd holi statws presennol y modd 4 gwifren:

if smu.get_fourwire_mode():
    print("4-wire mode is active")

Gorchmynion SCPI uniongyrchol

Ar gyfer cyfathrebu cyfresol uniongyrchol, neu i integreiddio ag offer eraill, mae’r miniSMU yn derbyn y gorchmynion SCPI canlynol ar gyfer y modd 4 gwifren:

Pan fydd y modd 4 gwifren wedi’i alluogi:

• Mae CH1 yn gweithredu fel y sianel force: mae’n cyflenwi foltedd ac yn mesur cerrynt
• Mae CH2 yn gweithredu fel y sianel sense: mae’n mesur foltedd â rhwystriant uchel
• Mae mesuriadau ar CH1 yn dychwelyd cerrynt CH1 ynghyd â foltedd CH2
• Mae OUTP1 ON/OFF yn rheoli’r ddwy sianel gyda’i gilydd

Awgrymiadau ymarferol

Lleihau’r sŵn a gasglir gan y gwifrau sense

Er nad yw’r gwifrau sense yn cludo cerrynt, gallant gasglu sŵn. Cadwch y gwifrau sense:

• Wedi’u troelli gyda’i gilydd neu wedi’u sgrinio
• I ffwrdd o geblau pŵer ac electroneg switsio
• Mor fyr ag sy’n ymarferol

Cysylltu’r gwifrau sense wrth y ddyfais

Byddwch yn colli mantais mesur Kelvin os byddwch yn cysylltu’r gwifrau sense â’r un pwynt â’r gwifrau force. Gwnewch yn siŵr bod y cysylltiadau sense yn cael eu gwneud wrth derfynellau’r ddyfais, nid ar gyffordd ganolraddol.

Gwirio eich trefniant

Ffordd gyflym o wirio bod y modd 4 gwifren yn gweithio: mesurwch wrthydd hysbys yn y modd 2 wifren ac yn y modd 4 gwifren. Dylai canlyniad y modd 4 gwifren fod yn is o tua gwerth gwrthiant eich gwifrau.

Crynodeb

Er mwyn nodweddu celloedd solar yn gywir, mae mesur Kelvin 4 gwifren yn dileu ffynhonnell sylweddol o wall systematig. Mae dyluniad dwy sianel y miniSMU yn gwneud mesuriadau Kelvin yn syml, gan roi hyder i chi fod eich cromliniau I-V a’r paramedrau rydych yn eu hechdynnu yn adlewyrchu perfformiad eich dyfais, nid eich trefniant prawf.

Mwynhewch fesur!