利用4200A-SCS參數(shù)分析儀研究光伏材料和太陽能電池的電學(xué)特性

隨著清潔能源需求增長，太陽能的潛力日益受到關(guān)注，太陽能電池通過吸收光子釋放電子，將陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。電氣測試廣泛用于研發(fā)和生產(chǎn)中，以表征其性能，包括直流/脈沖電壓測量、交流電壓測試等，分析關(guān)鍵參數(shù)如輸出電流、轉(zhuǎn)換效率和最大功率輸出，常結(jié)合不同光強(qiáng)和溫度條件進(jìn)行。

4200A-SCS參數(shù)分析儀可簡化這些電氣測量過程，集成直流和快速I-V、C-V測量功能，具備控制軟件、圖形繪制和數(shù)學(xué)分析能力。它適用于多種測量，包括直流/脈沖I-V、C-V、C-f、驅(qū)動級電容分析(DLCP)、四探針電阻率和霍爾電壓測量。本應(yīng)用說明描述了如何使用4200A-SCS對光伏電池進(jìn)行這些電測量。為了簡化光伏材料和電池的測試，4200A-SCS配有對應(yīng)的測試和一個可以輕松地進(jìn)行多項(xiàng)常用相關(guān)測量的項(xiàng)目，包括I-V、電容和電阻率測量，還包括提取最大功率、短路電流、缺陷密度等公共參數(shù)的公式。

直流電流/電壓（I-V）測量

太陽能電池的多項(xiàng)參數(shù)可通過電流-電壓 (I-V) 測量獲得。使用4200A-SCS的源測量單元 (SMU) 便可完成此任務(wù)，它既可作為電壓源，又可測量電流。4200A-SCS的SMU具有四象限工作能力，能夠以施加電壓的函數(shù)吸收電池電流，并提供四種型號：4200-SMU/4201-SMU（最大100mA）和4210-SMU/4211-SMU（最大1A）。若電池電流超出以上范圍，可通過減小電池面積或使用吉時利SourceMeter®儀器獲得更高電流支持。

從I-V測量得到的參數(shù)

太陽能電池的等效電路模型包括光感應(yīng)電流源 (IL)、二極管、串聯(lián)電阻 (rs) 和分流電阻 (rsh)，其中串聯(lián)電阻影響短路電流和輸出功率，理想值為0Ω，而分流電阻反映漏流損耗，理想值為∞。當(dāng)光照射在太陽能電池上并連接負(fù)載電阻時，總電流為 I=ls(eqV/kT?1)?IL。表征電池效率的關(guān)鍵參數(shù)包括最大功率點(diǎn) (Pmax)、能量轉(zhuǎn)換效率 (η) 和填充因子 (FF)，最大功率點(diǎn)對應(yīng)電池I-V曲線的“拐點(diǎn)”，此處輸出功率達(dá)到最大。

連接到太陽能電池進(jìn)行I-V測量

圖1顯示了使用4200A-SCS連接太陽能電池進(jìn)行I-V測量的配置。太陽能電池通過四線連接測試，其中一對引線 (Force) 提供電壓，另一對引線 (Sense) 測量壓降。這種配置可消除引線電阻的影響，確保測量的準(zhǔn)確性，同時Sense端引線能補(bǔ)償電壓偏差，確保電池電壓與設(shè)定值一致。

圖1. 4200A-SCS連接到太陽能電池進(jìn)行I-V測量

正向偏置I-V測量

太陽能電池的正向偏置I-V測量在受控光照下進(jìn)行，通過“fwd-ivsweep”測試由4200A-SCS的SMU完成，電壓從0掃至開路電壓 (Voc)。短路電流 (Isc) 和開路電壓 (Voc) 可直接從掃描數(shù)據(jù)中提取，其他參數(shù)如轉(zhuǎn)換效率 (η) 和電流密度 (J) 可通過公式器計(jì)算。I-V掃描結(jié)果可生成半對數(shù)圖或倒置圖形，以支持不同分析需求。

串聯(lián)電阻 (rs) 可通過不同光強(qiáng)下的正向I-V曲線確定，方法為連接線性區(qū)域點(diǎn)并測量其斜率的倒數(shù)。4200A-SCS的SMU具有極低的電壓負(fù)荷，僅幾百μV，與傳統(tǒng)數(shù)字萬用表相比，更適合太陽能電池的低電壓測量，減少測試誤差。

反向偏置I-V測量

從反向偏置I-V數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出太陽能電池的漏電流和分流電阻 (rsh)。測試通常在暗室中進(jìn)行，通過逐步增加電壓至擊穿電平并測量電流繪制曲線。SMU的前置放大器支持pA級甚至更小的精確測量，使用低噪聲電纜和屏蔽盒可進(jìn)一步減少干擾，屏蔽連接至4200A-SCS的Force LO端子。

分流電阻 (rsh) 可通過反向偏置I-V曲線的線性區(qū)域斜率計(jì)算（如圖2所示）。Solar Cell Reverse I-V Sweep (“rev-ivsweep”) 測試可生成實(shí)際的反向偏置特性曲線，半對數(shù)圖顯示了電流絕對值與反向偏置電壓的關(guān)系（如圖3所示），用于更直觀的分析。

圖2. 太陽能電池典型的反向偏置特性

圖3. 用SMU測量硅太陽能電池的反向偏置 I-V

電容的測量

C-V測量在推導(dǎo)太陽能裝置的特定參數(shù)時是非常有用的。根據(jù)太陽能電池的類型，電容-電壓 (C-V) 測量可用于推導(dǎo)摻雜濃度和結(jié)的內(nèi)置電壓等參數(shù)。電容 - 頻率(C-f) 掃描可用于提供耗盡區(qū)是否存在陷阱（空穴/阱 電 容）。4200A-SCS的可選4210-CVU或4215-CVU作為電容計(jì)，測量電容的相關(guān)函數(shù)：施加的直流電壓 (C-V)，頻率 (C-f)，時間 (C-t)，或施加AC電壓。CVU還可以測量電導(dǎo)和阻抗。

為了進(jìn)行電容測量，如圖4所示，將太陽能電池連接到CVU上。與使用SMU進(jìn)行的I-V測量一樣，電容測量也涉及四線連接以補(bǔ)償引線電阻。HPOT/HCUR端子連接到陽極，LPOT/LCUR端子連接到陰極。將CVU的直流高壓源端連接到陽極。

圖4. 將太陽能電池連接到CVU電容計(jì)

圖4顯示了來自電容計(jì)四個端子的四根同軸電纜的屏蔽連接。來自同軸電纜的屏蔽必須盡可能靠近太陽能電池連接在一起，以獲得最高的精度，因?yàn)檫@減少了測量電路中電感的影響。這對于在更高的測試頻率下進(jìn)行電容測量尤其重要。

考慮到電池的電容與器件的面積直接相關(guān)，在可行的情況下，可能需要減小電池本身的面積，以避免電容可能過高而無法測量。此外，將CVU設(shè)置為在較低的測試頻率和/或較低的AC驅(qū)動電壓下測量電容，將允許測量較高的電容。

C-V掃描

C-V測量可在正向或反向偏置下進(jìn)行，但正向偏置時需限制直流電壓，以避免過高電導(dǎo)導(dǎo)致測量失敗，且直流電流不得超過10mA，否則儀器可能進(jìn)入鉗位狀態(tài)。反向偏置條件下，通過Solar Cell C-V Sweep測試生成的C-V曲線如圖5所示。

圖5. 硅太陽能電池的C-V掃描

為了進(jìn)一步分析，可繪制1/C2與電壓的關(guān)系曲線（如圖6所示）。內(nèi)置電壓可通過1/C2曲線與橫軸的交點(diǎn)推導(dǎo)，摻雜密度則作為電壓的函數(shù)顯示在Analyze窗口中。用戶可使用公式器輸入電池面積以計(jì)算這些參數(shù)，或通過線性擬合選項(xiàng)直接獲取內(nèi)置電壓值。

圖6. 1/C2 vs. 硅太陽能電池的電壓

C-f掃描

CVU選項(xiàng)還可以測量電容、電導(dǎo)或阻抗與測試頻率的函數(shù)。頻率范圍從1kHz到10MHz。圖7中的曲線是使用Solar Cell C-f sweep或“cfsweep”測試生成的。掃描頻率的范圍和偏置電壓都可以調(diào)節(jié)。所需的參數(shù)，如陷阱密度，可以從電容與頻率的數(shù)據(jù)中提取。測量可以在不同溫度下重復(fù)進(jìn)行。

圖7. Solar Cell的C-f掃描

驅(qū)動級電容分析 (DLCP）

驅(qū)動級電容分析 (DLCP) 是一種技術(shù)，用于確定陷阱密度 (NDL) 隨光伏電池結(jié)深的變化。在DLCP測量中，AC電壓的峰峰值進(jìn)行掃頻，同時直流電壓隨著電容測量而變化。與傳統(tǒng)C-V測量不同，DLCP保持總施加電壓 (AC+直流) 恒定，通過調(diào)節(jié)直流電壓偏置來改變樣品內(nèi)固定位置 (Xe)，從而確定裸露電荷密度 (ρe)。

DLCP的關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠通過調(diào)整直流偏置，分析陷阱密度隨距離變化的特性，還可進(jìn)行特定深度的能量分析。此外，測量中可改變測試頻率和溫度，以實(shí)現(xiàn)基于能量的更詳細(xì)分析。

脈沖式I-V測量

脈沖式I-V測量用于分析太陽能電池參數(shù)，如轉(zhuǎn)換效率、最小載流子壽命和電池電容影響。通過4225-PMU模塊進(jìn)行測量，可輸出脈沖電壓、捕獲高速波形并吸收電流，支持單通道或雙通道配置，采用2線技術(shù)校正電纜電壓損失，無需4線測量。

為確保測量準(zhǔn)確性，需驗(yàn)證脈沖寬度足夠長，波形捕獲模式可用于動態(tài)測試和脈沖設(shè)置優(yōu)化。對電容較大的太陽能電池，可通過減小電池面積減少穩(wěn)定時間。圖8顯示的結(jié)果表明，PMU吸收電流，電流曲線延伸至第四象限。

圖8. 使用 4225-PMU對太陽能電池進(jìn)行脈沖I-V測量

電阻率和霍爾電壓測量

電阻率的大小直接影響太陽能電池的性能，因此測量電池材料的電阻率是一項(xiàng)常見的電學(xué)測試。半導(dǎo)體材料的電阻率通常采用四探針法測量，該方法能有效消除探頭電阻、擴(kuò)展電阻以及金屬觸點(diǎn)與材料之間接觸電阻引起的誤差。

常用的電阻率測量技術(shù)包括四探針法和范德堡法。SolarCell項(xiàng)目中包含了用于執(zhí)行這兩種測量的多項(xiàng)測試，還提供了測量范德堡系數(shù)和霍爾系數(shù)的獨(dú)立測試。用戶可在Select視圖的搜索欄中輸入相應(yīng)測試名稱（如vdp-surface-resistivity、vdp-volume-resistivity或hall-coefficient）以快速找到所需測試。

四探針測量法

四探針技術(shù)是將四個等間距的探針與阻值未知的材料接觸。如圖9所示，探針陣列被放置在材料的中心。兩個外部探針用于加載電流源，兩個內(nèi)部探針用于測量通過材料表面產(chǎn)生的電壓差。

圖9. 四探針測電阻率

已知加載電流和被測電壓計(jì)算表面或薄膜電阻率 :

如果樣品的厚度已知，則體電阻率可以按如下方式計(jì)算:

用范德堡法測量電阻率

范德堡(vdp)技術(shù)測量電阻率使用四個孤立的觸點(diǎn)在一個扁平的，任意形狀的樣品。電阻率是根據(jù)圖10所示在樣品周圍進(jìn)行的8次測量得出的。

圖10. 范德堡電阻率測量方法

一旦完成了所有的電壓測量，就可以推導(dǎo)出兩個電阻率值ρA 和ρB：

采用vdp-resistivity subsite和vdp法進(jìn)行測試

為了實(shí)現(xiàn)vdp電阻率測量的自動化，solarcell項(xiàng)目有一個vdp-resistivity subsite，包含四個測試：“i1-v23”、“i2-v34”、“i3-v41”和“i4-v12”。測試的截圖如圖11所示。

圖11. 范德堡測試的截圖

圖12. 范德堡測量的SMU配置

樣品的每個端子都連接到SMU的Force HI端子，因此需要帶有四個SMU的4200A-SCS。四個SMU在每個測試中的配置不同：一個SMU提供測試電流，兩個配置為電壓表，一個設(shè)置為公共端。在樣品周圍重復(fù)此測量設(shè)置，四個SMU中的每一個都在四個測試中的每個測試中發(fā)揮不同的功能。圖12顯示了每次測試中每個SMU的功能。

霍爾電壓測量

霍爾效應(yīng)測量對于半導(dǎo)體材料的表征很重要，因?yàn)榛魻栯妷嚎梢詫?dǎo)出導(dǎo)電類型、載流子密度和霍爾遷移率。在外加磁場的情況下，可以使用圖13所示的配置來測量霍爾電壓。

圖13. 霍爾電壓測量

SolarCell項(xiàng)目不包括測量霍爾電壓的具體測試；然而，可以在subsite上增加四個測試，以確定霍爾系數(shù)和遷移率?？紤]到霍爾測量的配置與范德堡電阻率測量非常相似，可以復(fù)制和修改vdp測試以進(jìn)行霍爾電壓測量。這些修改涉及改變SMU的功能。如果使用永磁體，則可以使用動作庫中的動作來創(chuàng)建一個對話框項(xiàng)目提示，該對話框?qū)⑼Ｖ鬼?xiàng)目樹中的測試序列，并指示用戶更改應(yīng)用于樣品的磁場性。項(xiàng)目提示符是一個對話框窗口，它暫停項(xiàng)目測試序列并提示用戶執(zhí)行某些操作。有關(guān)如何使用對話框動作的說明，請參閱4200A-SCS參考手冊。最后，在subsite的Calc表中推導(dǎo)出霍爾系數(shù)和遷移率。這些數(shù)學(xué)函數(shù)可以加到其他公式中，用于測定電阻率。

結(jié)論

測量太陽能電池的電特性對于確定設(shè)備的輸出性能和效率至關(guān)重要。4200A-SCS通過自動化I-V、C-V、脈沖I-V和電阻率測量來簡化電池測試，并提供圖形和分析功能。對于大于1A的電流測量，Keithley提供可用于太陽能電池測試的源表儀器。代替使用四個獨(dú)立的測試在subsite的Cals表格中進(jìn)行霍爾電壓測量，從庫中添加霍爾系數(shù)測試，它將所有測量和參數(shù)提取合并到一個測試中。了解4200A更多，https://www.tek.com.cn/products/keithley/4200a-scs-parameter-analyzer。

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