【導讀】隨著(zhù)清潔能源需求增長(cháng)，太陽(yáng)能的潛力日益受到關(guān)注，太陽(yáng)能電池通過(guò)吸收光子釋放電子，將陽(yáng)光直接轉化為電能。電氣測試廣泛用于研發(fā)和生產(chǎn)中，以表征其性能，包括直流/脈沖電壓測量、交流電壓測試等，分析關(guān)鍵參數如輸出電流、轉換效率和最大功率輸出，常結合不同光強和溫度條件進(jìn)行。
隨著(zhù)清潔能源需求增長(cháng)，太陽(yáng)能的潛力日益受到關(guān)注，太陽(yáng)能電池通過(guò)吸收光子釋放電子，將陽(yáng)光直接轉化為電能。電氣測試廣泛用于研發(fā)和生產(chǎn)中，以表征其性能，包括直流/脈沖電壓測量、交流電壓測試等，分析關(guān)鍵參數如輸出電流、轉換效率和最大功率輸出，常結合不同光強和溫度條件進(jìn)行。
4200A-SCS參數分析儀可簡(jiǎn)化這些電氣測量過(guò)程，集成直流和快速I(mǎi)-V、C-V測量功能，具備控制軟件、圖形繪制和數學(xué)分析能力。它適用于多種測量，包括直流/脈沖I-V、C-V、C-f、驅動(dòng)級電容分析(DLCP)、四探針電阻率和霍爾電壓測量。本應用說(shuō)明描述了如何使用4200A-SCS對光伏電池進(jìn)行這些電測量。為了簡(jiǎn)化光伏材料和電池的測試，4200A-SCS配有對應的測試和一個(gè)可以輕松地進(jìn)行多項常用相關(guān)測量的項目，包括I-V、電容和電阻率測量，還包括提取最大功率、短路電流、缺陷密度等公共參數的公式。
直流電流/電壓（I-V）測量
太陽(yáng)能電池的多項參數可通過(guò)電流-電壓 (I-V) 測量獲得。使用4200A-SCS的源測量單元 (SMU) 便可完成此任務(wù)，它既可作為電壓源，又可測量電流。4200A-SCS的SMU具有四象限工作能力，能夠以施加電壓的函數吸收電池電流，并提供四種型號：4200-SMU/4201-SMU（最大100mA）和4210-SMU/4211-SMU（最大1A）。若電池電流超出以上范圍，可通過(guò)減小電池面積或使用吉時(shí)利SourceMeter?儀器獲得更高電流支持。
從I-V測量得到的參數
太陽(yáng)能電池的等效電路模型包括光感應電流源 (IL)、二極管、串聯(lián)電阻 (rs) 和分流電阻 (rsh)，其中串聯(lián)電阻影響短路電流和輸出功率，理想值為0Ω，而分流電阻反映漏流損耗，理想值為∞。當光照射在太陽(yáng)能電池上并連接負載電阻時(shí)，總電流為 I=ls(eqV/kT?1)?IL。表征電池效率的關(guān)鍵參數包括最大功率點(diǎn) (Pmax)、能量轉換效率 (η) 和填充因子 (FF)，最大功率點(diǎn)對應電池I-V曲線(xiàn)的“拐點(diǎn)”，此處輸出功率達到最大。
連接到太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V測量
圖1顯示了使用4200A-SCS連接太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V測量的配置。太陽(yáng)能電池通過(guò)四線(xiàn)連接測試，其中一對引線(xiàn) (Force) 提供電壓，另一對引線(xiàn) (Sense) 測量壓降。這種配置可消除引線(xiàn)電阻的影響，確保測量的準確性，同時(shí)Sense端引線(xiàn)能補償電壓偏差，確保電池電壓與設定值一致。
圖1. 4200A-SCS連接到太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V測量
正向偏置I-V測量
太陽(yáng)能電池的正向偏置I-V測量在受控光照下進(jìn)行，通過(guò)“fwd-ivsweep”測試由4200A-SCS的SMU完成，電壓從0掃至開(kāi)路電壓 (Voc)。短路電流 (Isc) 和開(kāi)路電壓 (Voc) 可直接從掃描數據中提取，其他參數如轉換效率 (η) 和電流密度 (J) 可通過(guò)公式器計算。I-V掃描結果可生成半對數圖或倒置圖形，以支持不同分析需求。
串聯(lián)電阻 (rs) 可通過(guò)不同光強下的正向I-V曲線(xiàn)確定，方法為連接線(xiàn)性區域點(diǎn)并測量其斜率的倒數。4200A-SCS的SMU具有極低的電壓負荷，僅幾百μV，與傳統數字萬(wàn)用表相比，更適合太陽(yáng)能電池的低電壓測量，減少測試誤差。
反向偏置I-V測量
從反向偏置I-V數據可以推導出太陽(yáng)能電池的漏電流和分流電阻 (rsh)。測試通常在暗室中進(jìn)行，通過(guò)逐步增加電壓至擊穿電平并測量電流繪制曲線(xiàn)。SMU的前置放大器支持pA級甚至更小的精確測量，使用低噪聲電纜和屏蔽盒可進(jìn)一步減少干擾，屏蔽連接至4200A-SCS的Force LO端子。
分流電阻 (rsh) 可通過(guò)反向偏置I-V曲線(xiàn)的線(xiàn)性區域斜率計算（如圖2所示）。Solar Cell Reverse I-V Sweep (“rev-ivsweep”) 測試可生成實(shí)際的反向偏置特性曲線(xiàn)，半對數圖顯示了電流絕對值與反向偏置電壓的關(guān)系（如圖3所示），用于更直觀(guān)的分析。
圖2. 太陽(yáng)能電池典型的反向偏置特性
圖3. 用SMU測量硅太陽(yáng)能電池的反向偏置 I-V
電容的測量
C-V測量在推導太陽(yáng)能裝置的特定參數時(shí)是非常有用的。根據太陽(yáng)能電池的類(lèi)型，電容-電壓 (C-V) 測量可用于推導摻雜濃度和結的內置電壓等參數。電容 - 頻率(C-f) 掃描可用于提供耗盡區是否存在陷阱（空穴/阱 電 容）。4200A-SCS的可選4210-CVU或4215-CVU作為電容計，測量電容的相關(guān)函數：施加的直流電壓 (C-V)，頻率 (C-f)，時(shí)間 (C-t)，或施加AC電壓。CVU還可以測量電導和阻抗。
為了進(jìn)行電容測量，如圖4所示，將太陽(yáng)能電池連接到CVU上。與使用SMU進(jìn)行的I-V測量一樣，電容測量也涉及四線(xiàn)連接以補償引線(xiàn)電阻。HPOT/HCUR端子連接到陽(yáng)極，LPOT/LCUR端子連接到陰極。將CVU的直流高壓源端連接到陽(yáng)極。
圖4. 將太陽(yáng)能電池連接到CVU電容計
圖4顯示了來(lái)自電容計四個(gè)端子的四根同軸電纜的屏蔽連接。來(lái)自同軸電纜的屏蔽必須盡可能靠近太陽(yáng)能電池連接在一起，以獲得最高的精度，因為這減少了測量電路中電感的影響。這對于在更高的測試頻率下進(jìn)行電容測量尤其重要。
考慮到電池的電容與器件的面積直接相關(guān)，在可行的情況下，可能需要減小電池本身的面積，以避免電容可能過(guò)高而無(wú)法測量。此外，將CVU設置為在較低的測試頻率和/或較低的AC驅動(dòng)電壓下測量電容，將允許測量較高的電容。
C-V掃描
C-V測量可在正向或反向偏置下進(jìn)行，但正向偏置時(shí)需限制直流電壓，以避免過(guò)高電導導致測量失敗，且直流電流不得超過(guò)10mA，否則儀器可能進(jìn)入鉗位狀態(tài)。反向偏置條件下，通過(guò)Solar Cell C-V Sweep測試生成的C-V曲線(xiàn)如圖5所示。
圖5. 硅太陽(yáng)能電池的C-V掃描
為了進(jìn)一步分析，可繪制1/C2與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)（如圖6所示）。內置電壓可通過(guò)1/C2曲線(xiàn)與橫軸的交點(diǎn)推導，摻雜密度則作為電壓的函數顯示在A(yíng)nalyze窗口中。用戶(hù)可使用公式器輸入電池面積以計算這些參數，或通過(guò)線(xiàn)性擬合選項直接獲取內置電壓值。
圖6. 1/C2 vs. 硅太陽(yáng)能電池的電壓
C-f掃描
CVU選項還可以測量電容、電導或阻抗與測試頻率的函數。頻率范圍從1kHz到10MHz。圖7中的曲線(xiàn)是使用Solar Cell C-f sweep或“cfsweep”測試生成的。掃描頻率的范圍和偏置電壓都可以調節。所需的參數，如陷阱密度，可以從電容與頻率的數據中提取。測量可以在不同溫度下重復進(jìn)行。
圖7. Solar Cell的C-f掃描
驅動(dòng)級電容分析 (DLCP)
驅動(dòng)級電容分析 (DLCP) 是一種技術(shù)，用于確定陷阱密度 (NDL) 隨光伏電池結深的變化。在DLCP測量中，AC電壓的峰峰值進(jìn)行掃頻，同時(shí)直流電壓隨著(zhù)電容測量而變化。與傳統C-V測量不同，DLCP保持總施加電壓 (AC+直流) 恒定，通過(guò)調節直流電壓偏置來(lái)改變樣品內固定位置 (Xe)，從而確定裸露電荷密度 (ρe)。
DLCP的關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠通過(guò)調整直流偏置，分析陷阱密度隨距離變化的特性，還可進(jìn)行特定深度的能量分析。此外，測量中可改變測試頻率和溫度，以實(shí)現基于能量的更詳細分析。
脈沖式I-V測量
脈沖式I-V測量用于分析太陽(yáng)能電池參數，如轉換效率、最小載流子壽命和電池電容影響。通過(guò)4225-PMU模塊進(jìn)行測量，可輸出脈沖電壓、捕獲高速波形并吸收電流，支持單通道或雙通道配置，采用2線(xiàn)技術(shù)校正電纜電壓損失，無(wú)需4線(xiàn)測量。
為確保測量準確性，需驗證脈沖寬度足夠長(cháng)，波形捕獲模式可用于動(dòng)態(tài)測試和脈沖設置優(yōu)化。對電容較大的太陽(yáng)能電池，可通過(guò)減小電池面積減少穩定時(shí)間。圖8顯示的結果表明，PMU吸收電流，電流曲線(xiàn)延伸至第四象限。
圖8. 使用 4225-PMU對太陽(yáng)能電池進(jìn)行脈沖I-V測量
電阻率和霍爾電壓測量
電阻率的大小直接影響太陽(yáng)能電池的性能，因此測量電池材料的電阻率是一項常見(jiàn)的電學(xué)測試。半導體材料的電阻率通常采用四探針?lè )y量，該方法能有效消除探頭電阻、擴展電阻以及金屬觸點(diǎn)與材料之間接觸電阻引起的誤差。
常用的電阻率測量技術(shù)包括四探針?lè )ê头兜卤し?。SolarCell項目中包含了用于執行這兩種測量的多項測試，還提供了測量范德堡系數和霍爾系數的獨立測試。用戶(hù)可在Select視圖的搜索欄中輸入相應測試名稱(chēng)（如vdp-surface-resistivity、vdp-volume-resistivity或hall-coefficient）以快速找到所需測試。
四探針測量法
四探針技術(shù)是將四個(gè)等間距的探針與阻值未知的材料接觸。如圖9所示，探針陣列被放置在材料的中心。兩個(gè)外部探針用于加載電流源，兩個(gè)內部探針用于測量通過(guò)材料表面產(chǎn)生的電壓差。
圖9. 四探針測電阻率
已知加載電流和被測電壓計算表面或薄膜電阻率 :
如果樣品的厚度已知，則體電阻率可以按如下方式計算:
用范德堡法測量電阻率
范德堡(vdp)技術(shù)測量電阻率使用四個(gè)孤立的觸點(diǎn)在一個(gè)扁平的，任意形狀的樣品。電阻率是根據圖10所示在樣品周?chē)M(jìn)行的8次測量得出的。
圖10. 范德堡電阻率測量方法
一旦完成了所有的電壓測量，就可以推導出兩個(gè)電阻率值ρA 和ρB：
采用vdp-resistivity subsite和vdp法進(jìn)行測試
為了實(shí)現vdp電阻率測量的自動(dòng)化，solarcell項目有一個(gè)vdp-resistivity subsite，包含四個(gè)測試：“i1-v23”、“i2-v34”、“i3-v41”和“i4-v12”。測試的截圖如圖11所示。
圖11. 范德堡測試的截圖
圖12. 范德堡測量的SMU配置
樣品的每個(gè)端子都連接到SMU的Force HI端子，因此需要帶有四個(gè)SMU的4200A-SCS。四個(gè)SMU在每個(gè)測試中的配置不同：一個(gè)SMU提供測試電流，兩個(gè)配置為電壓表，一個(gè)設置為公共端。在樣品周?chē)貜痛藴y量設置，四個(gè)SMU中的每一個(gè)都在四個(gè)測試中的每個(gè)測試中發(fā)揮不同的功能。圖12顯示了每次測試中每個(gè)SMU的功能。
霍爾電壓測量
霍爾效應測量對于半導體材料的表征很重要，因為霍爾電壓可以導出導電類(lèi)型、載流子密度和霍爾遷移率。在外加磁場(chǎng)的情況下，可以使用圖13所示的配置來(lái)測量霍爾電壓。
圖13. 霍爾電壓測量
SolarCell項目不包括測量霍爾電壓的具體測試；然而，可以在subsite上增加四個(gè)測試，以確定霍爾系數和遷移率?？紤]到霍爾測量的配置與范德堡電阻率測量非常相似，可以復制和修改vdp測試以進(jìn)行霍爾電壓測量。這些修改涉及改變SMU的功能。如果使用永磁體，則可以使用動(dòng)作庫中的動(dòng)作來(lái)創(chuàng )建一個(gè)對話(huà)框項目提示，該對話(huà)框將停止項目樹(shù)中的測試序列，并指示用戶(hù)更改應用于樣品的磁場(chǎng)性。項目提示符是一個(gè)對話(huà)框窗口，它暫停項目測試序列并提示用戶(hù)執行某些操作。有關(guān)如何使用對話(huà)框動(dòng)作的說(shuō)明，請參閱4200A-SCS參考手冊。最后，在subsite的Calc表中推導出霍爾系數和遷移率。這些數學(xué)函數可以加到其他公式中，用于測定電阻率。
結論
測量太陽(yáng)能電池的電特性對于確定設備的輸出性能和效率至關(guān)重要。4200A-SCS通過(guò)自動(dòng)化I-V、C-V、脈沖I-V和電阻率測量來(lái)簡(jiǎn)化電池測試，并提供圖形和分析功能。對于大于1A的電流測量，Keithley提供可用于太陽(yáng)能電池測試的源表儀器。代替使用四個(gè)獨立的測試在subsite的Cals表格中進(jìn)行霍爾電壓測量，從庫中添加霍爾系數測試，它將所有測量和參數提取合并到一個(gè)測試中。
（來(lái)源：泰克科技）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
國產(chǎn)伺服驅動(dòng)器新突破：低壓脈沖方案+完整圖紙程序分享
驅動(dòng)電路設計（四）---驅動(dòng)器的自舉電源綜述
分布式顯控技術(shù)分類(lèi)與實(shí)戰方案推薦
高精度FOC算法加持，電動(dòng)兩輪車(chē)控制器迎來(lái)高性能芯片方案
