一種太陽(yáng)能光伏電池電氣性能的測試

填充因數(FF)是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進(jìn)行比較的一種方式。理想情況下，它應該等于1,但在實(shí)際的PV電池中，它一般是小于1的。它實(shí)際上等于太陽(yáng)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。填充因數定義如下：

FF=IMAXVMAX/(ISCVOC)

其中IMAX=最大輸出功率時(shí)的電流，VMAX=最大輸出功率時(shí)的電壓，ISC=短路電流，VOC=開(kāi)路電壓。

轉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(jìn)行。正偏測量是在PV電池照明受控的情況下進(jìn)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(kāi)路電壓(VOC)進(jìn)行掃描。在0V下，電流應該等于短路電流(ISC)。當電壓為VOC時(shí)，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(xiàn)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(xiàn)的斜率，就一切情況而論這才是有意義的。記住，曲線(xiàn)的斜率從開(kāi)始到最后變化很大，我們所關(guān)心的數據出現在曲線(xiàn)的遠正偏區域(far-forwardregion)，這時(shí)曲線(xiàn)開(kāi)始表現出線(xiàn)性特征。在這一點(diǎn)，電流變化的倒數與電壓的函數關(guān)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(jìn)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(xiàn)，測量是在暗室中進(jìn)行的，從起始電壓為0V到PV電池開(kāi)始擊穿的點(diǎn)，測量輸出電流并繪制其與加載電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。利用PV電池反偏I-V曲線(xiàn)的斜率也可以得到分流電阻的大小(如圖5所示)。從該曲線(xiàn)的線(xiàn)性區，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(xiàn)性區/ΔI反偏/ΔV反偏/logI反偏

圖5.利用PV電池反偏I-V曲線(xiàn)的斜率可以得到PV電池的分流電阻。

除了在沒(méi)有任何光源的情況下進(jìn)行這些測量之外，我們還應該對PV電池進(jìn)行正確地屏蔽，并在測試配置中使用低噪聲線(xiàn)纜。

電容測量

電容(或稱(chēng)電容量)是表征電容器容納電荷本領(lǐng)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(xué)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(jìn)去，在沒(méi)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(huì )永久存在，這是它的特征)，它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)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(zhù)不同的作用。與電阻器相似，通常簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)，就構成了電容器。兩片金屬稱(chēng)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(jiàn)的是固定容量的電容，最多見(jiàn)的是電解電容和瓷片電容。

與I-V測量類(lèi)似，電容測量也用于太陽(yáng)能電池的特征分析。根據所需測量的電池參數，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體結的內建電壓。電容-頻率掃描則能夠為我們尋找PV襯底耗盡區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關(guān)系。與I-V測量一樣，電容測量也采用四線(xiàn)技術(shù)以補償引線(xiàn)電阻。電池必須保持四線(xiàn)連接。測試配置應該包含帶屏蔽的同軸線(xiàn)纜，其屏蔽層連接要盡可能靠近PV電池以最大限度減少線(xiàn)纜的誤差?；陂_(kāi)路和短路測量的校正技術(shù)能夠減少線(xiàn)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(xiàn)(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(xiàn)。

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(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，材料內部一定區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關(guān)系。

電阻率與霍爾電壓的測量

電阻率(resistivity)是用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。在常溫下(20℃時(shí))，某種材料制成的長(cháng)1米、橫截面積是1平方毫米的導線(xiàn)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(cháng)度， s為面積?？梢钥闯?，材料的電阻大小正比于材料的長(cháng)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(chēng)為導體，常見(jiàn)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(chēng)為絕緣體。介于導體和絕緣體之間的物質(zhì) (如硅) 則稱(chēng)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(guò)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(xiàn)探測技術(shù)或者范德堡方法。

在使用四點(diǎn)共線(xiàn)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，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(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。