光伏電池電氣性能的評(píng)測(cè)

　　電容測(cè)量

　　與I-V測(cè)量類似，電容測(cè)量也用于太陽(yáng)能電池的特征分析。根據(jù)所需測(cè)量的電池參數(shù)，我們可以測(cè)出電容與直流電壓、頻率、時(shí)間或交流電壓的關(guān)系。例如，測(cè)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?yàn)槲覀儗ふ襊V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(duì)測(cè)量而言具有較大面積的器件將具有較大的電容。

　　C-V測(cè)量測(cè)得的是待測(cè)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(cè)量一樣，電容測(cè)量也采用四線技術(shù)以補(bǔ)償引線電阻。電池必須保持四線連接。測(cè)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。基于開(kāi)路和短路測(cè)量的校正技術(shù)能夠減少線纜電容對(duì)測(cè)量精度的影響。C-V測(cè)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(shí)電容會(huì)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(cè)量是激勵(lì)電平電容壓型（DLCP），可在某些薄膜太陽(yáng)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(cè)量要加載一個(gè)掃描峰-峰交流電壓并改變直流電壓，同時(shí)進(jìn)行電容測(cè)量。必須調(diào)整這兩種電壓使得即使在掃描交流電壓時(shí)也保持總加載電壓（交流+直流）不變。通過(guò)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(cè)量

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

　　在使用四點(diǎn)共線探測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其中兩個(gè)探針用于連接電流源，另兩個(gè)探針用于測(cè)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(jì)算得到：

　　ρ=(π/ln2)(V/I)(tk)

　　其中，ρ=體積電阻率，單位是Ωcm，V=測(cè)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(cè)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(gè)小觸點(diǎn)加載電流并測(cè)量產(chǎn)生的電壓，待測(cè)平板可以是厚度均勻任意形狀的PV材料樣本。

　　范德堡電阻率測(cè)量方法需要測(cè)量8個(gè)電壓。測(cè)量V1到V8是圍繞材料樣本的四周進(jìn)行的，如圖7所示。

圖7.范德堡電阻率常用測(cè)量方法

　　按照下列公式可以利用上述8個(gè)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出兩個(gè)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(gè)體積電阻率的值，ts=樣本厚度，單位是cm，V1–V8是測(cè)得的電壓，單位是V，I=流過(guò)光伏材料樣品的電流，單位是A，fA和fB是基于樣本對(duì)稱性的幾何系數(shù)，它們與兩個(gè)電阻比值QA和QB相關(guān)，如下所示：

QA=(V1–V2)/(V3–V4)
QB=(V5–V6)/(V7–V8)

　　當(dāng)已知ρA和ρB的值時(shí)，可以根據(jù)下列公式計(jì)算出平均電阻率（ρAVG）：
ρAVG=(ρA+ρB)/2

　　高電阻率測(cè)量中的誤差可能來(lái)源于多個(gè)方面，包括靜電干擾、漏電流、溫度和載流子注入。當(dāng)把某個(gè)帶電的物理拿到樣本附近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電干擾。要想最大限度減少這些影響，應(yīng)該對(duì)樣本進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘我员苊馔獠侩姾伞＿@種屏蔽可以采用導(dǎo)電材料制作，應(yīng)該通過(guò)將屏蔽層連接到測(cè)量?jī)x器的低電勢(shì)端進(jìn)行正確的接地。電壓測(cè)量中還應(yīng)該使用低噪聲屏蔽線纜。漏電流會(huì)影響高電阻樣本的測(cè)量精度。漏電流來(lái)源于線纜、探針和測(cè)試夾具，通過(guò)使用高質(zhì)量絕緣體，最大限度降低濕度，啟用防護(hù)式測(cè)量，包括使用三軸線纜等方式可以盡量減少漏電流。

　　脈沖式I-V測(cè)量

　　除了直流I-V和電容測(cè)量，脈沖式I-V測(cè)量也可用于得出太陽(yáng)能電池的某些參數(shù)。特別是，脈沖式I-V測(cè)量在判斷轉(zhuǎn)換效率、最短載流子壽命和電池電容的影響時(shí)一直非常有用。

　　本文詳細(xì)介紹的這些PV測(cè)量操作都可以利用針對(duì)半導(dǎo)體評(píng)測(cè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)快速而簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)，例如來(lái)自吉時(shí)利儀器公司的4200-SCS半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)4。該系統(tǒng)能夠采用四針探測(cè)方式提供并吸收電流，并支持軟件控制的電流、電壓和電容測(cè)量。該系統(tǒng)可以配置各種源和測(cè)量模塊，進(jìn)行連續(xù)式的和脈沖式的I-V與C-V測(cè)量，得到一些重要的PV電池參數(shù)。例如，該系統(tǒng)可以利用4225-PMU模塊連接到PV電池上進(jìn)行脈沖式I-V掃描（如圖8所示）5。除了提供脈沖電壓源，該P(yáng)MU還能夠吸收電流，從而測(cè)出太陽(yáng)能電池的輸出電流，如圖9所示。4200-SCS系統(tǒng)支持各種硬件模塊和軟件測(cè)量函數(shù)庫(kù)。

太陽(yáng)能電池/SMA同軸線連接公共端

圖8.4225-PMU模塊可用于PV電池的脈沖式I-V測(cè)量

圖9.硅PV電池脈沖式I-V測(cè)量的繪圖表示曲線