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特性進行比較的一種方式。理想情況下，它應該等于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)兩種情況下進行。正偏測量是在PV電池照明受控的情況下進行的，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)進行掃描。在0V下，電流應該等于短路電流(ISC)。當電壓為VOC時，電流應該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等于負載電流(IL)。

PV電池的串聯(lián)電阻(rs)可以從至少兩條在不同光強下測量的正偏I-V曲線中得出。光強的大小并不重要，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，我們所關心的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線的遠正偏區(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系曲線。利用PV電池反偏I-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-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行這些測量之外，我們還應該對PV電池進行正確地屏蔽，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/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系。例如，測量PV電池的電容與電壓的關系有助于我們研究電池的摻雜濃度或者半導體結(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，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)關系。與I-V測量一樣，電容測量也采用四線技術以補償引線電阻。電池必須保持四線連接。測試配置應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?，材料的電阻大小正比于材料的長度，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)被稱為導體，常見導體主要為金屬，而自然界中導電性最佳的是銀。其他不易導電的物質(zhì)如玻璃、橡膠等，電阻率較高，一般稱為絕緣體。介于導體和絕緣體之間的物質(zhì) (如硅) 則稱半導體。

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行測量，其中可以采用四點共線探測技術或者范德堡方法。

在使用四點共線探測技術進行測量時，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。