改善太陽(yáng)能電池的測試：加快開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵(2)

對于大電容性DUT的快速I(mǎi)-V分析，采用輸出電壓和測量電流的方法合乎常理。盡管需要充電來(lái)改變大容性p-n結的電壓，低阻抗的電壓源能迅速驅動(dòng)太陽(yáng)能電池到每一個(gè)新的工作點(diǎn)。然而，在使用容性負載時(shí)電壓源會(huì )變得不穩定，這就需要調整測量方法。
一種替代方法是輸出電流和測量電壓，這中方法會(huì )顯著(zhù)增加測量時(shí)間。因為如果使用較小的電流（減少圖3中的右部區域）則需要很長(cháng)時(shí)間完成對電池電容的充電。而且，如果使用較大電流（圖3的左上部區域），由于I-V曲線(xiàn)接近平坦，則會(huì )導致測量中存在噪聲。
另一種替代方法是太陽(yáng)能電池接一個(gè)可變電阻負載。在特定的光照下，如果測量太陽(yáng)能電池電壓時(shí)可變電阻能在短路到開(kāi)路之間變化，就能得到I-V特性（即，Iload=Vcell/Rknown）。
電壓源穩定性
當使用輸出電壓/測量電流的方法測量太陽(yáng)能電池的I-V曲線(xiàn)時(shí)，由于電池電容對系統反饋環(huán)路產(chǎn)生的相移會(huì )使高速電壓源不穩定（見(jiàn)圖4a）。然而，環(huán)路測試線(xiàn)引入的電感加劇了該問(wèn)題。如圖4a所示，電感量的大小由測試線(xiàn)環(huán)路面積決定。
表1定量分析了電感與各種太陽(yáng)能電池的電容相互作用的影響是太陽(yáng)能電池尺寸的函數。該表格舉例說(shuō)明了載流測試線(xiàn)的電感量（不是電壓感測線(xiàn)，因為電壓感測線(xiàn)中沒(méi)有電流）與太陽(yáng)能電池的電容量的關(guān)系，進(jìn)而得出推薦的電壓源帶寬。使用較寬帶寬電壓源的風(fēng)險是導致測試環(huán)路不穩定（振蕩），這可能得到不正確的I/V曲線(xiàn)。特定的測試條件和DUT要求更嚴格地限定電壓源的帶寬。
值得注意的是表1中的倒數第二行，由于較大的電容量和電感量導致電壓源的帶寬非常窄（≈9Hz）。既然DUT的電容量是給定的，那么電感量必須盡可能小。在該例中，如果電感量從123μH降至1μH，那么電壓源的帶寬增加約100Hz（見(jiàn)表1的最后一行）。如果采用這種電壓源并且允許電壓和電流對于階躍變化的建立時(shí)間為4倍時(shí)間常量（4τ），那么僅需6.3 ms就能得到可靠的測量結果。

表1.在一系列測試線(xiàn)的電感量和太陽(yáng)能電池的電容量條件下，推薦的電壓源帶寬用于穩定測試環(huán)路
事實(shí)上，太陽(yáng)能電池的電容量隨著(zhù)光強和施加電壓的變化而改變，這使得問(wèn)題更為復雜。更大的電容量會(huì )增加反饋環(huán)路的相移，剛開(kāi)始測試環(huán)路還能勉強穩定。進(jìn)而，太陽(yáng)能電池入射光的噪聲和驅動(dòng)電池的電壓源噪聲會(huì )造成電池電容量的附加變化。雖然在I-V曲線(xiàn)的任何部分都可能出現不穩定，但是當太陽(yáng)能電池的偏壓接近0V時(shí)，測試環(huán)路不穩定的概率更高。這是由于隨著(zhù)p-n結向零偏壓過(guò)渡，太陽(yáng)能電池的電容量迅速改變。
隨著(zhù)太陽(yáng)能電池的尺寸增大，測量問(wèn)題的難度也在提高。電池尺寸越大，所需的輸出電流將高達數十安培并且需要能測量這種大電流的儀器?？梢允褂靡慌_電壓源或者電源以及2臺DMM（同時(shí)測量電壓和電流）。雖然提供能驅動(dòng)容性負載的電源，但是大多數電源并非專(zhuān)為容性負載的快速電壓掃描設計。大多數電源含有內部補償電路，這會(huì )導致對于電壓階躍變化的建立時(shí)間較長(cháng)。因而，使用這種電壓源測量太陽(yáng)能電池I-V曲線(xiàn)所需的時(shí)間特別長(cháng)，尤其在自動(dòng)測試環(huán)境中。
當PC通過(guò)GPIB（通用設備總線(xiàn)）控制測試儀器時(shí)，測試吞吐量會(huì )進(jìn)一步降低。即使采用高速電源，也都需要通過(guò)GPIB設置I-V曲線(xiàn)上的每一個(gè)測量點(diǎn)。而且，DMM測量的電壓和電流通過(guò)GPIB傳送至PC也會(huì )延長(cháng)測試周期。
測量方案
有許多價(jià)格合理的測量?jì)x器能輸出和測量直流信號用于太陽(yáng)能電池的I-V特性分析。通常，選擇測量?jì)x器的關(guān)鍵在于速度和精度問(wèn)題。只要采取了防止高速源不穩定的措施，這種輸出電壓/測量電流的方法通常能獲得最佳的測試效果。
如果不考慮使用的儀器，那么可以采用減少測試線(xiàn)環(huán)路面積的線(xiàn)路系統緩解測試線(xiàn)電感的影響。但是，測試線(xiàn)環(huán)路的面積可能很大，因為DUT不一定靠近電壓源。幸運的是，纏繞導線(xiàn)對能很容易地降低電感量（見(jiàn)圖4b）。絞線(xiàn)對還能降低通過(guò)電磁耦合進(jìn)入導線(xiàn)的噪聲。
纏繞載流的HI和LO測試線(xiàn)非常重要，這與電壓源的遠程感測線(xiàn)剛好相反。當電源線(xiàn)用于電壓感測時(shí)，使用分立的導線(xiàn)遠程感測在太陽(yáng)能電池兩端的輸出電壓能夠避免由于壓降造成的不準確。（分立感測線(xiàn)中的電流可忽略不計，因為這些感測線(xiàn)連接至電壓源的高阻輸入放大器。）
更為棘手的問(wèn)題是太陽(yáng)能電池的施加電壓改變導致電容量相應變化，因為電容量的變化代表電抗元件的平方，這導致在測試電路（反饋）環(huán)路產(chǎn)生附加相移。消除附加相移最簡(jiǎn)單的方法是關(guān)閉環(huán)路以防該電抗元件的平方造成問(wèn)題。在電壓源的HI和LO輸出端增加純電容器件就能關(guān)閉環(huán)路。如果增加的電容量足夠大（約等于偏壓的太陽(yáng)能電池的電容量），那么在電抗元件的附加相移導致測試環(huán)路不穩定之前，環(huán)路就會(huì )被關(guān)閉。盡管如此，從一開(kāi)始就應當選擇適合的電壓源。最好，開(kāi)始就選用帶快速階躍響應的電壓源，然后只用增添外部電容就能穩定測試環(huán)路。
大尺寸太陽(yáng)能電池的測量
如果太陽(yáng)能電池的面積特別大，那么前面討論的方法很難解決問(wèn)題，因而需要采用不同的解決方案。這不可避免地需要采用輸出電流、測量電壓的方法，雖然這種方法需要折衷考慮I-V測量的噪聲誤差和速率。

大面積太陽(yáng)能電池的測量方案
Source Meter = 數字源表
Solar Cell =太陽(yáng)能電池
圖5. 使用多臺源-測量?jì)x器提供足夠的驅動(dòng)電流，用于大面積太陽(yáng)能電池和電池板的I-V特性分析。
即便如此，合適的測量?jì)x器可以縮短測試時(shí)間。源-測量?jì)x器（亦稱(chēng)為數字源表）能同時(shí)輸出電流和測量太陽(yáng)能電池的電壓。這些儀器集成了（電壓或電流）源以及DMM的全部測量功能。（源-測量?jì)x器的優(yōu)點(diǎn)也適合于輸出電壓/測量電流模式測量較小尺寸的太陽(yáng)能電池。）源-測量?jì)x器的輸出電流模式允許對負載使用一個(gè)以上的源，每個(gè)源獨立地向太陽(yáng)能電池提供電流。圖5示出了一種接有多個(gè)并聯(lián)電流源的太陽(yáng)能電池。

使用并聯(lián)電流源時(shí)，在I-V測量的開(kāi)始階段，所有電流源都配置為零電流輸出，從而使太陽(yáng)能陣列在施加光照的條件下形成開(kāi)路電壓?？梢栽O置測試序列，再用得到的電流斜坡覆蓋所需的多個(gè)電流源的以達到要求的輸出電流最大值。當第一電流源達到滿(mǎn)量程電流時(shí)，系統中的下一個(gè)電流源繼續向太陽(yáng)能電池陣列注入附加電流，以此類(lèi)推。如圖5所示，應當按照正常工作的太陽(yáng)能電池的電流極性啟動(dòng)全部電流源。
通過(guò)結合高速源與集成源內在的優(yōu)點(diǎn)和測量功能，數字源表加快了I-V特性分析的速度。數字源表的一個(gè)創(chuàng )新特點(diǎn)是支持四象限操作的源功能（見(jiàn)圖6）。該功能允許數字源表用作太陽(yáng)能電池的可變阱（或負載）。采用四象限操作時(shí)，如果輸出電壓為正極性，電流就能流進(jìn)或流出HI端子，同時(shí)保持設置的電壓穩定。反之，如果輸出電流為正極性，就能設置正極性或負極性的電壓源。當負載需要比預置的最大值更高的電壓或電流時(shí)，數字源表還能在輸出電壓與輸出電流的模式之間自動(dòng)切換。

Duty cycle limited = 填充因子受限
圖6. 在太陽(yáng)能電池測試期間，四象限工作允許將數字源表用作源或者負載；當用作源時(shí)，數字源表能在電壓或電流模式之間快速切換。
雖然使用一個(gè)直流源和兩臺DMM能對太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V特性分析，但是數字源表避免了測試系統的集成問(wèn)題。而且，這種測試儀支持快速電壓掃描和電流掃描、快速切換模式和同時(shí)用高精度測量電路讀取全部數據（分辨率典型值為5位半）。
而且，大多數這些儀器都含有固件，避免了由分立DMM和通過(guò)GPIB控制電壓源導致的吞吐率降低。通常，固件僅需通過(guò)GPIB啟動(dòng)和停止信號用于控制。而且，內部的大緩沖器允許將數據累積直至GPIB上出現空閑周期時(shí)才將讀數發(fā)送至PC控制器。與分立GPIB的儀器相比，這些特點(diǎn)的結合具有巨大的吞吐率優(yōu)勢。