改善太陽能電池的測試：加快開發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵(2)

對于大電容性DUT的快速I-V分析，采用輸出電壓和測量電流的方法合乎常理。盡管需要充電來改變大容性p-n結(jié)的電壓，低阻抗的電壓源能迅速驅(qū)動太陽能電池到每一個新的工作點。然而，在使用容性負載時電壓源會變得不穩(wěn)定，這就需要調(diào)整測量方法。
一種替代方法是輸出電流和測量電壓，這中方法會顯著增加測量時間。因為如果使用較小的電流（減少圖3中的右部區(qū)域）則需要很長時間完成對電池電容的充電。而且，如果使用較大電流（圖3的左上部區(qū)域），由于I-V曲線接近平坦，則會導(dǎo)致測量中存在噪聲。
另一種替代方法是太陽能電池接一個可變電阻負載。在特定的光照下，如果測量太陽能電池電壓時可變電阻能在短路到開路之間變化，就能得到I-V特性（即，Iload=Vcell/Rknown）。
電壓源穩(wěn)定性
當使用輸出電壓/測量電流的方法測量太陽能電池的I-V曲線時，由于電池電容對系統(tǒng)反饋環(huán)路產(chǎn)生的相移會使高速電壓源不穩(wěn)定（見圖4a）。然而，環(huán)路測試線引入的電感加劇了該問題。如圖4a所示，電感量的大小由測試線環(huán)路面積決定。
表1定量分析了電感與各種太陽能電池的電容相互作用的影響是太陽能電池尺寸的函數(shù)。該表格舉例說明了載流測試線的電感量（不是電壓感測線，因為電壓感測線中沒有電流）與太陽能電池的電容量的關(guān)系，進而得出推薦的電壓源帶寬。使用較寬帶寬電壓源的風(fēng)險是導(dǎo)致測試環(huán)路不穩(wěn)定（振蕩），這可能得到不正確的I/V曲線。特定的測試條件和DUT要求更嚴格地限定電壓源的帶寬。
值得注意的是表1中的倒數(shù)第二行，由于較大的電容量和電感量導(dǎo)致電壓源的帶寬非常窄（≈9Hz）。既然DUT的電容量是給定的，那么電感量必須盡可能小。在該例中，如果電感量從123μH降至1μH，那么電壓源的帶寬增加約100Hz（見表1的最后一行）。如果采用這種電壓源并且允許電壓和電流對于階躍變化的建立時間為4倍時間常量（4τ），那么僅需6.3 ms就能得到可靠的測量結(jié)果。

表1.在一系列測試線的電感量和太陽能電池的電容量條件下，推薦的電壓源帶寬用于穩(wěn)定測試環(huán)路
事實上，太陽能電池的電容量隨著光強和施加電壓的變化而改變，這使得問題更為復(fù)雜。更大的電容量會增加反饋環(huán)路的相移，剛開始測試環(huán)路還能勉強穩(wěn)定。進而，太陽能電池入射光的噪聲和驅(qū)動電池的電壓源噪聲會造成電池電容量的附加變化。雖然在I-V曲線的任何部分都可能出現(xiàn)不穩(wěn)定，但是當太陽能電池的偏壓接近0V時，測試環(huán)路不穩(wěn)定的概率更高。這是由于隨著p-n結(jié)向零偏壓過渡，太陽能電池的電容量迅速改變。
隨著太陽能電池的尺寸增大，測量問題的難度也在提高。電池尺寸越大，所需的輸出電流將高達數(shù)十安培并且需要能測量這種大電流的儀器。可以使用一臺電壓源或者電源以及2臺DMM（同時測量電壓和電流）。雖然提供能驅(qū)動容性負載的電源，但是大多數(shù)電源并非專為容性負載的快速電壓掃描設(shè)計。大多數(shù)電源含有內(nèi)部補償電路，這會導(dǎo)致對于電壓階躍變化的建立時間較長。因而，使用這種電壓源測量太陽能電池I-V曲線所需的時間特別長，尤其在自動測試環(huán)境中。
當PC通過GPIB（通用設(shè)備總線）控制測試儀器時，測試吞吐量會進一步降低。即使采用高速電源，也都需要通過GPIB設(shè)置I-V曲線上的每一個測量點。而且，DMM測量的電壓和電流通過GPIB傳送至PC也會延長測試周期。
測量方案
有許多價格合理的測量儀器能輸出和測量直流信號用于太陽能電池的I-V特性分析。通常，選擇測量儀器的關(guān)鍵在于速度和精度問題。只要采取了防止高速源不穩(wěn)定的措施，這種輸出電壓/測量電流的方法通常能獲得最佳的測試效果。
如果不考慮使用的儀器，那么可以采用減少測試線環(huán)路面積的線路系統(tǒng)緩解測試線電感的影響。但是，測試線環(huán)路的面積可能很大，因為DUT不一定靠近電壓源。幸運的是，纏繞導(dǎo)線對能很容易地降低電感量（見圖4b）。絞線對還能降低通過電磁耦合進入導(dǎo)線的噪聲。
纏繞載流的HI和LO測試線非常重要，這與電壓源的遠程感測線剛好相反。當電源線用于電壓感測時，使用分立的導(dǎo)線遠程感測在太陽能電池兩端的輸出電壓能夠避免由于壓降造成的不準確。（分立感測線中的電流可忽略不計，因為這些感測線連接至電壓源的高阻輸入放大器。）
更為棘手的問題是太陽能電池的施加電壓改變導(dǎo)致電容量相應(yīng)變化，因為電容量的變化代表電抗元件的平方，這導(dǎo)致在測試電路（反饋）環(huán)路產(chǎn)生附加相移。消除附加相移最簡單的方法是關(guān)閉環(huán)路以防該電抗元件的平方造成問題。在電壓源的HI和LO輸出端增加純電容器件就能關(guān)閉環(huán)路。如果增加的電容量足夠大（約等于偏壓的太陽能電池的電容量），那么在電抗元件的附加相移導(dǎo)致測試環(huán)路不穩(wěn)定之前，環(huán)路就會被關(guān)閉。盡管如此，從一開始就應(yīng)當選擇適合的電壓源。最好，開始就選用帶快速階躍響應(yīng)的電壓源，然后只用增添外部電容就能穩(wěn)定測試環(huán)路。
大尺寸太陽能電池的測量
如果太陽能電池的面積特別大，那么前面討論的方法很難解決問題，因而需要采用不同的解決方案。這不可避免地需要采用輸出電流、測量電壓的方法，雖然這種方法需要折衷考慮I-V測量的噪聲誤差和速率。

大面積太陽能電池的測量方案
Source Meter = 數(shù)字源表
Solar Cell =太陽能電池
圖5. 使用多臺源-測量儀器提供足夠的驅(qū)動電流，用于大面積太陽能電池和電池板的I-V特性分析。
即便如此，合適的測量儀器可以縮短測試時間。源-測量儀器（亦稱為數(shù)字源表）能同時輸出電流和測量太陽能電池的電壓。這些儀器集成了（電壓或電流）源以及DMM的全部測量功能。（源-測量儀器的優(yōu)點也適合于輸出電壓/測量電流模式測量較小尺寸的太陽能電池。）源-測量儀器的輸出電流模式允許對負載使用一個以上的源，每個源獨立地向太陽能電池提供電流。圖5示出了一種接有多個并聯(lián)電流源的太陽能電池。

使用并聯(lián)電流源時，在I-V測量的開始階段，所有電流源都配置為零電流輸出，從而使太陽能陣列在施加光照的條件下形成開路電壓。可以設(shè)置測試序列，再用得到的電流斜坡覆蓋所需的多個電流源的以達到要求的輸出電流最大值。當?shù)谝浑娏髟催_到滿量程電流時，系統(tǒng)中的下一個電流源繼續(xù)向太陽能電池陣列注入附加電流，以此類推。如圖5所示，應(yīng)當按照正常工作的太陽能電池的電流極性啟動全部電流源。
通過結(jié)合高速源與集成源內(nèi)在的優(yōu)點和測量功能，數(shù)字源表加快了I-V特性分析的速度。數(shù)字源表的一個創(chuàng)新特點是支持四象限操作的源功能（見圖6）。該功能允許數(shù)字源表用作太陽能電池的可變阱（或負載）。采用四象限操作時，如果輸出電壓為正極性，電流就能流進或流出HI端子，同時保持設(shè)置的電壓穩(wěn)定。反之，如果輸出電流為正極性，就能設(shè)置正極性或負極性的電壓源。當負載需要比預(yù)置的最大值更高的電壓或電流時，數(shù)字源表還能在輸出電壓與輸出電流的模式之間自動切換。

Duty cycle limited = 填充因子受限
圖6. 在太陽能電池測試期間，四象限工作允許將數(shù)字源表用作源或者負載；當用作源時，數(shù)字源表能在電壓或電流模式之間快速切換。
雖然使用一個直流源和兩臺DMM能對太陽能電池進行I-V特性分析，但是數(shù)字源表避免了測試系統(tǒng)的集成問題。而且，這種測試儀支持快速電壓掃描和電流掃描、快速切換模式和同時用高精度測量電路讀取全部數(shù)據(jù)（分辨率典型值為5位半）。
而且，大多數(shù)這些儀器都含有固件，避免了由分立DMM和通過GPIB控制電壓源導(dǎo)致的吞吐率降低。通常，固件僅需通過GPIB啟動和停止信號用于控制。而且，內(nèi)部的大緩沖器允許將數(shù)據(jù)累積直至GPIB上出現(xiàn)空閑周期時才將讀數(shù)發(fā)送至PC控制器。與分立GPIB的儀器相比，這些特點的結(jié)合具有巨大的吞吐率優(yōu)勢。