光伏电池电气性能的评测（下）

3 、光伏电池的电容测量
与I-V测量类似，电容测量也用于太阳能电池的特征分析。根据所需测量的电池参数，我们可以测出电容与直流电压、频率、时间或交流电压的关系。例如，测量PV电池的电容与电压的关系有助于我们研究电池的掺杂浓度或者半导体结的内建电压。电容-频率扫描则能够为我们寻找PV衬底耗尽区中的电荷陷阱提供信息。电池的电容与器件的面积直接相关，因此对测量而言具有较大面积的器件将具有较大的电容。
C-V测量测得的是待测电池的电容与所加载的直流电压的函数关系。与I-V测量一样，电容测量也采用四线技术以补偿引线电阻。电池必须保持四线连接。测试配置应该包含带屏蔽的同轴线缆，其屏蔽层连接要尽可能靠近PV电池以最大限度减少线缆的误差。基于开路和短路测量的校正技术能够减少线缆电容对测量精度的影响。C-V测量可以在正偏也可以在反偏情况下进行。反偏情况下电容与扫描电压的典型曲线（如图6所示）表明在向击穿电压扫描时电容会迅速增大。


 
图6. PV电池电容与电压关系的典型曲线。
另外一种基于电容的测量是激励电平电容压型（DLCP），可在某些薄膜太阳能电池（例如CIGS）上用于判断PV电池缺陷密度与深度的关系。这种测量要加载一个扫描峰-峰交流电压并改变直流电压，同时进行电容测量。必须调整这两种电压使得即使在扫描交流电压时也保持总加载电压（交流+直流）不变。通过这种方式，材料内部一定区域中暴露的电荷密度将保持不变，我们就可以得到缺陷密度与距离的函数关系。2
4.1  电阻率与霍尔电压的测量
PV电池材料的电阻率可以采用四针探测的方式3，通过加载电流源并测量电压进行测量，其中可以采用四点共线探测技术或者范德堡方法。

在使用四点共线探测技术进行测量时，其中两个探针用于连接电流源，另两个探针用于测量光伏材料上电压降。在已知PV材料厚度的情况下，体积电阻率（ρ）可以根据下列公式计算得到：

ρ = (π/ln2)(V/I)(tk)
其中，ρ =体积电阻率，单位是Ωcm，V=测得的电压，单位是V，I=源电流，单位是A，t=样本厚度，单位是cm，k=校正系数，取决于探针与晶圆直径的比例以及晶圆厚度与探针间距的比例。
4.2 范德堡电阻率测量方法
测量PV材料电阻率的另外一种技术是范德堡方法。这种方法利用平板四周四个小触点加载电流并测量产生的电压，待测平板可以是厚度均匀任意形状的PV材料样本。
范德堡电阻率测量方法需要测量8个电压。测量V1 到 V8是围绕材料样本的四周进行的，如图7所示。
 
图7. 范德堡电阻率常用测量方法
按照下列公式可以利用上述8个测量结果计算出两个电阻率的值：

ρA = (π/ln2)(fAts)[(V1 – V2 +V3 – V4)/4I]
ρB = (π/ln2)(fBts)[(V5 – V6 +V7 – V8)/4I]
其中，ρA 和 ρB分别是两个体积电阻率的值，ts =样本厚度，单位是cm，V1 – V8是测得的电压，单位是V，I=流过光伏材料样品的电流，单位是A，fA 和 fB是基于样本对称性的几何系数，它们与两个电阻比值QA 和 QB相关，如下所示：
QA = (V1 – V2)/(V3 – V4)
QB = (V5 – V6)/(V7 – V8)
当已知ρA 和 ρB的值时，可以根据下列公式计算出平均电阻率（ρAVG）：

ρAVG = (ρA + ρB)/2
高电阻率测量中的误差可能来源于多个方面，包括静电干扰、漏电流、温度和载流子注入。当把某个带电的物理拿到样本附近时就会产生静电干扰。要想最大限度减少这些影响，应该对样本进行适当的屏蔽以避免外部电荷。这种屏蔽可以采用导电材料制作，应该通过将屏蔽层连接到测量仪器的低电势端进行正确的接地。电压测量中还应该使用低噪声屏蔽线缆。漏电流会影响高电阻样本的测量精度。漏电流来源于线缆、探针和测试夹具，通过使用高质量绝缘体，最大限度降低湿度，启用防护式测量，包括使用三轴线缆等方式可以尽量减少漏电流。
5 、脉冲式I-V测量
除了直流I-V和电容测量，脉冲式I-V测量也可用于得出太阳能电池的某些参数。特别是，脉冲式I-V测量在判断转换效率、最短载流子寿命和电池电容的影响时一直非常有用。
本文详细介绍的这些PV测量操作都可以利用针对半导体评测设计的自动化测试系统快速而简便地实现，例如来自吉时利仪器公司的4200-SCS半导体特征分析系统4。该系统能够采用四针探测方式提供并吸收电流，并支持软件控制的电流、电压和电容测量。该系统可以配置各种源和测量模块，进行连续式的和脉冲式的I-V与C-V测量，得到一些重要的PV电池参数。例如，该系统可以利用4225-PMU模块连接到PV电池上进行脉冲式I-V扫描（如图8所示）5。除了提供脉冲电压源，该PMU还能够吸收电流，从而测出太阳能电池的输出电流，如图9所示。4200-SCS系统支持各种硬件模块和软件测量函数库。
 
                                 太阳能电池
                                SMA同轴线                            
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