光伏電池電氣性能的測量

morris_2007

光伏（PV）電池和材料的電氣特徵分析需要多種電氣測量，可在電池研發或製造工藝過程中進行。這些測試包括電流與電壓關係（I-V）、電容與電壓關係（C-V）、電容與頻率關係（C-f）和脈衝I-V測試等。利用這些電氣測試結果可以提取出很多常用的參數，例如輸出電流、最大輸出功率、摻雜密度、轉換效率、電阻率和霍爾電壓。

　　光伏電池採用各種吸光材料製作，包括結晶和非晶矽，碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒化物（CIGS）材料製成的薄膜，以及有機/聚合物類的材料。

光伏電池等效電路模型

　　光伏電池的等效電路模型如圖1所示。理想的模型可以表示為一個感光電流源並聯一個二極體。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高於電池材料的能帶，那麼電子就被激發到導帶中。將一個外部負載連接到光伏電池的輸出端，就會產生電流。

圖1 由串聯電阻（rs）、分流電阻（rsh）和光碟機電流源構成的光伏電池等效電路

　　對於電池襯底材料、金屬導線和接觸點中存在的材料缺陷和歐姆損耗，光伏電池模型分別用串聯電阻（rs）和分流電阻（rsh）表示。串聯電阻是一個關鍵參數，因為它限制了光伏電池的最大可用功率（Pmax）和短路電流（ISC）。

　　串聯電阻與電池上的金屬觸點電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜質濃度和結深有關，理想情況下應為零。分流電阻是電池邊緣的表面漏電流或晶格缺陷造成的損耗，理想情況下應為無窮大。

光伏電池的I-V測量

　　可以利用直流I-V曲線圖（見圖2）對光伏電池進行評測。電池產生的最大功率（Pmax）出現在最大電流（Imax）和最大電壓（Vmax）交叉點，曲線下方的面積表示不同電壓下電池產生的最大輸出功率。我們可以用安培計和電壓源、數字源表或源測量單元（SMU）生成I-V曲線圖。為了適應這類應用需求，測試設備必須能夠在可用的量程範圍內提供電壓源並吸收電流，同時，提供分析功能以準確測量電流和電壓。簡化的測量配置如圖3所示。

圖2 I-V曲線給出了光伏電池的典型正偏特性，其中最大功率（Pmax）出現在最大電流（Imax）和最大電壓（Vmax）的交叉點。

圖3 由電流源和伏特計組成的太陽能電池I-V曲線測量系統

　　測量系統應該支援四線測量模式。採用四線測量技術能夠解決引線電阻影響測量精度的問題。例如，可以用其中一對測試引線提供電壓源，用另一對引線測量流過電池的電流。關鍵要把測試引線放在距離電池盡可能近的地方。(未完待續 )

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脈衝式I-V測量

　除了直流I-V和電容測量，脈衝式I-V測量也可用於得出太陽能電池的某些參數。特別是，脈衝式I-V測量在判斷轉換效率、最短載流子壽命和電池電容的影響時非常有用。

　　本文介紹的這些光伏測量都可以利用針對半導體評測設計的自動化測試系統快速而簡便地實現，例如，吉時利的4200-SCS半導體特徵分析系統。該系統能夠採用四針探測方式提供並吸收電流，並支援軟體控制的電流、電壓和電容測量。可以配置各種源和測量模組，進行連續式和脈衝式的I-V與C-V測量，得到重要的光伏電池參數。例如，該系統可以利用4225-PMU模組連接到光伏電池上進行脈衝式I-V掃描，如圖8所示。除了提供脈衝電壓源，該PMU還能吸收電流，從而測出光伏電池的輸出電流，如圖9所示。（作者 吉時利高級應用工程師Mary Anne Tupta）

圖8 吉時利的4225-PMU模組可用於光伏電池的脈衝式I-V測量

圖9 矽光伏電池的脈衝式I-V測量曲線

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在使用四點共線探測技術時，其中兩個探針用於連接電流源，另兩個探針用於測量光伏材料的電壓降。在已知光伏材料厚度的情況下，體積電阻率（ρ）可以根據下列公式計算：

　　ρ=(π/ln2)(V/I)(tk)

　　其中，ρ是體積電阻率，單位是Ωcm；V是測得的電壓，單位是V；I是源電流，單位是A；t是樣本厚度，單位是cm；k是校正係數，取決於探針與晶圓直徑的比例，以及晶圓厚度與探針間距的比例。

　　另外，范德堡方法利用平板四週4個小觸點載入電流並測量產生的電壓，待測平板可以是厚度均勻任意形狀的光伏材料樣本。這種方法需要測量8個電壓。測量V1 到 V8是圍繞材料樣本的四週進行的，如圖7所示。

圖7 范德堡電阻率常用測量方法

　　按照下列公式可以利用上述8個測量結果計算出兩個電阻率的值：

　　ρA=(π/ln2)(fAts)[(V1–V2+V3–V4)/4I]

　　ρB=(π/ln2)(fBts)[(V5–V6+V7–V8)/4I]

　　其中，ρA和ρB分別是兩個體積電阻率的值；ts是樣本厚度，單位是cm；V1–V8是測得的電壓，單位是V；I是流過光伏材料樣品的電流，單位是A；fA和fB是基於樣本對稱性的幾何係數，它們與兩個電阻比值QA和QB相關，如下所示：

　　QA=(V1–V2)/(V3–V4)

　　QB=(V5–V6)/(V7–V8)

　　當已知ρA和ρB的值時，可以根據下列公式計算出平均電阻率（ρAVG）：

　　ρAVG=(ρA+ρB)/2

　　高電阻率測量中的誤差可能來自多個方面，包括靜電干擾、漏電流、溫度和載流子注入。當把某個帶電物體拿到樣本附近時就會產生靜電干擾。要想最大限度減少這些影響，應該對樣本進行適當的遮罩以避免外部電荷。這種遮罩可以用導電材料製作，通過將遮罩層連接到測量儀器的低電勢端進行正確的接地。電壓測量中還應該使用低噪音遮罩線纜。漏電流會影響高電阻樣本的測量精度。漏電流來自線纜、探針和測試夾具，通過使用高品質絕緣體，最大限度降低濕度，啟用防護式測量，包括使用三軸線纜等方式可以盡量減少漏電流。

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　利用SMU測量正偏（光照下）矽太陽能電池的真實I-V曲線如圖4所示。由於SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，並且支援器件析出功率。

圖4 正偏（光照下）光伏電池的典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。

光伏電池總體效率的測量參數

　　其他一些可以從光伏電池I-V曲線得出的數據表徵了它的總體效率（將光能轉換為電能的程度），這些參數包括能量轉換效率（η）、最大功率和填充因數（FF）。

　　轉換效率是光伏電池最大輸出功率（PMAX）與輸入功率（PIN）的比值，即：η= PMAX/PIN。

　　填充因數是將光伏電池的I-V特性與理想電池I-V特性進行比較的一種方式。它等於光伏電池產生的最大功率除以理想功率，即FF=IMAXVMAX/(ISCVOC)，其中ISC是短路電流，VOC是開路電壓。理想情況下FF應等於1，但實際上通常小於1。

　　光伏電池的I-V測量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）兩種情況下進行。正偏測量是在光伏電池照明受控時進行的，光照能量表示電池的輸入功率。用一段載入電壓掃描電池，並測量電池產生的電流。一般情況下，載入到光伏電池上的電壓可以從0V到該電池的開路電壓（VOC）進行掃描。在0V下，電流應該等於短路電流（ISC）。當電壓為VOC時，電流應該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等於負載電流（IL）。

　　光伏電池的串聯電阻（rs）可以從至少兩條在不同光強下測量的正偏I-V曲線中得出。光強的大小並不重要，因為它是電壓變化與電流變化的比值，即曲線的斜率，就一切情況而論才有意義。曲線的斜率從開始到最後變化很大，我們所關心的數據出現在曲線的遠正偏區域（far-forward region），這時曲線開始表現出線性特徵。在這一點，串聯電阻rs=ΔV/ΔI。

　　上面所有測量都是在正偏條件下進行的。但是光伏器件的某些特徵，例如分流電阻（rsh）和漏電流，恰恰是在光伏電池避光即工作在反偏情況下得到的。對於這些I-V曲線，測量是在暗室中進行的，從起始電壓為0V到光伏電池開始擊穿的點，測量輸出電流並繪製其與載入電壓的關係曲線。利用光伏電池反偏I-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大小（見圖5）。從該曲線的線性區，可以按下列公式計算出分流電阻：

　　rsh=ΔVReverse Bias/ΔIReverse Bias

圖5 利用光伏電池反偏I-V曲線的斜率可以得到分流電阻

　　除了在沒有任何光源的情況下進行這些測量之外，還應該對光伏電池進行正確的遮罩，並在測試配置中使用低噪音線纜。

光伏電池的C-V測量

根據所需測量的電池參數，可以測出電容與直流電壓、頻率、時間或交流電壓的關係。例如，測量電容與電壓關係有助於研究光伏電池的摻雜濃度或半導體結的內建電壓。電容-頻率掃描則能夠為尋找光伏襯底耗盡區中的電荷陷阱提供資訊。電池的電容與器件的面積直接相關，因此對測量而言，較大面積的器件將具有較大的電容。

　C-V測量測得的是待測電池的電容與所載入的直流電壓的函數關係。與I-V測量一樣，電容測量也採用四線技術以補償引線電阻。電池必須保持四線連接。測試配置應該包含帶遮罩的同軸線纜，其遮罩層連接要盡可能靠近光伏電池，以最大限度減少線纜的誤差。基於開路和短路測量的校正技術，能夠減少線纜對測量精度的影響。C-V測量可以在正偏，也可以在反偏情況下進行。反偏情況下，電容與掃描電壓的典型曲線（見圖6）表明，在向擊穿電壓掃描時，電容會迅速增大。

圖6 光伏電池電容與電壓關係的典型曲線

　　另外一種基於電容的測量是激勵電平電容壓型（DLCP），可在某些薄膜太陽能電池（例如CIGS）上用於判斷光伏電池缺陷密度與深度的關係。這種測量要載入一個掃描峰-峰交流電壓並改變直流電壓，同時進行電容測量。必須調整這兩種電壓，使得即使在掃描交流電壓時也保持總載入電壓（交流+直流）不變。通過這種方式，材料內部一定區域中暴露的電荷密度將保持不變，因而可以得到缺陷密度與距離的函數關係。

電阻率與霍爾電壓的測量

　　光伏電池材料的電阻率可以採用四針探測的方式，載入電流源並測量電壓。其中可以採用四點共線探測技術或范德堡方法。(未完待續 ) 　


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