一種太陽能光伏電池電氣性能的測試

填充因數(shù)(FF)是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進(jìn)行比較的一種方式。理想情況下，它應(yīng)該等于1,但在實際的PV電池中，它一般是小于1的。它實際上等于太陽能電池產(chǎn)生的最大功率(PMAX=IMAXVMAX)除以理想PV電池產(chǎn)生的功率。填充因數(shù)定義如下：

FF=IMAXVMAX/(ISCVOC)

其中IMAX=最大輸出功率時的電流，VMAX=最大輸出功率時的電壓，ISC=短路電流，VOC=開路電壓。

轉(zhuǎn)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：

h=PMAX/PIN

PV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(jìn)行。正偏測量是在PV電池照明受控的情況下進(jìn)行的，光照能量表示電池的輸入功率。用一段加載電壓掃描電池，并測量電池產(chǎn)生的電流。一般情況下，加載到PV電池上的電壓可以從0V到該電池的開路電壓(VOC)進(jìn)行掃描。在0V下，電流應(yīng)該等于短路電流(ISC)。當(dāng)電壓為VOC時，電流應(yīng)該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等于負(fù)載電流(IL)。

PV電池的串聯(lián)電阻(rs)可以從至少兩條在不同光強(qiáng)下測量的正偏I(xiàn)-V曲線中得出。光強(qiáng)的大小并不重要，因為它是電壓變化與電流變化的比值，即曲線的斜率，就一切情況而論這才是有意義的。記住，曲線的斜率從開始到最后變化很大，我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線的遠(yuǎn)正偏區(qū)域(far-forwardregion)，這時曲線開始表現(xiàn)出線性特征。在這一點，電流變化的倒數(shù)與電壓的函數(shù)關(guān)系就得出串聯(lián)電阻的值：

rs=ΔV/ΔI

到目前為止本文所討論的測量都是對暴露在發(fā)光輸出功率下，即處于正偏條件下的PV電池進(jìn)行的測量。但是PV器件的某些特征，例如分流電阻(rsh)和漏電流，恰恰是在PV電池避光即工作在反偏情況下得到的。對于這些I-V曲線，測量是在暗室中進(jìn)行的，從起始電壓為0V到PV電池開始擊穿的點，測量輸出電流并繪制其與加載電壓的關(guān)系曲線。利用PV電池反偏I(xiàn)-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大小(如圖5所示)。從該曲線的線性區(qū)，可以按下列公式計算出分流電阻：

rsh=ΔVReverseBias/ΔIReverseBias

V反偏/用于估算rsh的線性區(qū)/ΔI反偏/ΔV反偏/logI反偏

圖5.利用PV電池反偏I(xiàn)-V曲線的斜率可以得到PV電池的分流電阻。

除了在沒有任何光源的情況下進(jìn)行這些測量之外，我們還應(yīng)該對PV電池進(jìn)行正確地屏蔽，并在測試配置中使用低噪聲線纜。

電容測量

電容(或稱電容量)是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。我們把電容器的兩極板間的電勢差增加1伏所需的電量，叫做電容器的電容。電容器從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)(就像一只水桶一樣，你可以把電荷充存進(jìn)去，在沒有放電回路的[1]情況下，刨除介質(zhì)漏電自放電效應(yīng)/電解電容比較明顯，可能電荷會永久存在，這是它的特征)，它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、隔直流等電路中。 電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是儲存電荷的容器.盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)(固體、氣體或液體)所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。

與I-V測量類似，電容測量也用于太陽能電池的特征分析。根據(jù)所需測量的電池參數(shù)，我們可以測出電容與直流電壓、頻率、時間或交流電壓的關(guān)系。例如，測量PV電池的電容與電壓的關(guān)系有助于我們研究電池的摻雜濃度或者半導(dǎo)體結(jié)的內(nèi)建電壓。電容-頻率掃描則能夠為我們尋找PV襯底耗盡區(qū)中的電荷陷阱提供信息。電池的電容與器件的面積直接相關(guān)，因此對測量而言具有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加載的直流電壓的函數(shù)關(guān)系。與I-V測量一樣，電容測量也采用四線技術(shù)以補償引線電阻。電池必須保持四線連接。測試配置應(yīng)該包含帶屏蔽的同軸線纜，其屏蔽層連接要盡可能靠近PV電池以最大限度減少線纜的誤差?；陂_路和短路測量的校正技術(shù)能夠減少線纜電容對測量精度的影響。C-V測量可以在正偏也可以在反偏情況下進(jìn)行。反偏情況下電容與掃描電壓的典型曲線(如圖6所示)表明在向擊穿電壓掃描時電容會迅速增大。

圖6.PV電池電容與電壓關(guān)系的典型曲線。

另外一種基于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)上用于判斷PV電池缺陷密度與深度的關(guān)系。這種測量要加載一個掃描峰-峰交流電壓并改變直流電壓，同時進(jìn)行電容測量。必須調(diào)整這兩種電壓使得即使在掃描交流電壓時也保持總加載電壓(交流+直流)不變。通過這種方式，材料內(nèi)部一定區(qū)域中暴露的電荷密度將保持不變，我們就可以得到缺陷密度與距離的函數(shù)關(guān)系。

電阻率與霍爾電壓的測量

電阻率(resistivity)是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。在常溫下(20℃時)，某種材料制成的長1米、橫截面積是1平方毫米的導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。在溫度一定的情況下，有公式R=ρl/s 其中的ρ就是電阻率，l為材料的長度， s為面積?？梢钥闯觯牧系碾娮璐笮≌扔诓牧系拈L度，而反比于其面積。由上式可知電阻率的定義：ρ=Rs/l.電阻率較低的物質(zhì)被稱為導(dǎo)體，常見導(dǎo)體主要為金屬，而自然界中導(dǎo)電性最佳的是銀。其他不易導(dǎo)電的物質(zhì)如玻璃、橡膠等，電阻率較高，一般稱為絕緣體。介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì) (如硅) 則稱半導(dǎo)體。

PV電池材料的電阻率可以采用四針探測的方式3,通過加載電流源并測量電壓進(jìn)行測量，其中可以采用四點共線探測技術(shù)或者范德堡方法。

在使用四點共線探測技術(shù)進(jìn)行測量時，其中兩個探針用于連接電流源，另兩個探針用于測量光伏材料上電壓降。在已知PV材料厚度的情況下，體積電阻率(ρ)可以根據(jù)下列公式計算得到：

ρ=(π/ln2)(V/I)(tk)

其中，ρ=體積電阻率，單位是Ωcm,V=測得的電壓，單位是V,I=源電流，單位是A,t=樣本厚度，單位是cm,k=校正系數(shù)，取決于探針與晶圓直徑的比例以及晶圓厚度與探針間距的比例。

測量PV材料電阻率的另外一種技術(shù)是范德堡方法。這種方法利用平板四周四個小觸點加載電流并測量產(chǎn)生的電壓，待測平板可以是厚度均勻任意形狀的PV材料樣本。