光伏電池電氣性能的評測（下）

3 、光伏電池的電容測量

        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(shí)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?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(bǔ)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。基于開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(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量是激勵(lì)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(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。 

4.1  電阻率與霍爾電壓的測量

        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(diǎn)共線探測技術(shù)或者范德堡方法。

        在使用四點(diǎn)共線探測技術(shù)進(jìn)行測量時(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。

4.2 范德堡電阻率測量方法

        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(gè)小觸點(diǎn)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。
范德堡電阻率測量方法需要測量8個(gè)電壓。測量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量方法

按照下列公式可以利用上述8個(gè)測量結(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是測得的電壓，單位是V，I=流過光伏材料樣品的電流，單位是A，fA 和 fB是基于樣本對稱性的幾何系數(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

        高電阻率測量中的誤差可能來源于多個(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)該對樣本進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘我员苊馔獠侩姾?。這種屏蔽可以采用導(dǎo)電材料制作，應(yīng)該通過將屏蔽層連接到測量儀器的低電勢端進(jìn)行正確的接地。電壓測量中還應(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量精度。漏電流來源于線纜、探針和測試夾具，通過使用高質(zhì)量絕緣體，最大限度降低濕度，啟用防護(hù)式測量，包括使用三軸線纜等方式可以盡量減少漏電流。

5 、脈沖式I-V測量

        除了直流I-V和電容測量，脈沖式I-V測量也可用于得出太陽能電池的某些參數(shù)。特別是，脈沖式I-V測量在判斷轉(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測量操作都可以利用針對半導(dǎo)體評測設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測試系統(tǒng)快速而簡便地實(shí)現(xiàn)，例如來自吉時(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、電壓和電容測量。該系統(tǒng)可以配置各種源和測量模塊，進(jìn)行連續(xù)式的和脈沖式的I-V與C-V測量，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，從而測出太陽能電池的輸出電流，如圖9所示。4200-SCS系統(tǒng)支持各種硬件模塊和軟件測量函數(shù)庫。


 
                                 太陽能電池
                                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測量

 

圖9. 硅PV電池脈沖式I-V測量的繪圖表示曲線