《電子技術(shù)應(yīng)用》
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光伏電池電氣性能的評測
MaryAnneTupta
吉時利儀器公司高級應(yīng)用工程師
摘要: 來自于日光的電能是真正“綠色”和廉價的能源,但是需要基于光伏(PV)電池和存儲設(shè)備(例如電池)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。PV或太陽能電池在戶外照明領(lǐng)域,甚至在全家用和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛;它們可以采用與半導(dǎo)體器件制造相同的工藝進(jìn)行制作。太陽能電池的功能非常簡單:吸收太陽光的光子并釋放出電子。當(dāng)在太陽能電池上連接負(fù)載時,就會產(chǎn)生電流。
關(guān)鍵詞: 光伏 電池 存儲設(shè)備
Abstract:
Key words :

        來自于日光的電能是真正“綠色”和廉價的能源,但是需要基于光伏(PV)電池和存儲設(shè)備(例如電池)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。PV或太陽能電池在戶外照明領(lǐng)域,甚至在全家用和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛;它們可以采用與半導(dǎo)體器件制造相同的工藝進(jìn)行制作。太陽能電池的功能非常簡單:吸收太陽光的光子并釋放出電子。當(dāng)在太陽能電池上連接負(fù)載時,就會產(chǎn)生電流。
  PV電池和材料的電氣特征分析需要進(jìn)行多種電氣測量。這些測試工作可以在研發(fā)過程中在電池上進(jìn)行,也可以作為電池制造工藝的組成部分。這些測試包括電流與電壓關(guān)系(I-V)、電容與電壓關(guān)系(C-V)、電容與頻率關(guān)系(C-f)和脈沖I-V測試等。利用這些電氣測試結(jié)果可以提取出很多常用的參數(shù),例如輸出電流、最大輸出功率、摻雜密度、轉(zhuǎn)換效率、電阻率和霍爾電壓。
  PV電池采用各種吸光材料制作,包括結(jié)晶和非晶硅,碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒化物(CIGS)材料制成的薄膜,以及有機(jī)/聚合物類的材料。
PV電池的等效電路模型(如圖1所示)能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想PV電池的模型可以表示為一個感光電流源并聯(lián)一個二極管。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高于電池材料的能帶,那么電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中。如果將一個外部負(fù)載連接到PV電池的輸出端,那么就會產(chǎn)生電流。
PV電池/光子hυ/負(fù)載

圖1.由一個串聯(lián)電阻(RS)和一個分流電阻(rsh)和一個光驅(qū)電流源構(gòu)成的光伏電池等效電路。
  由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點(diǎn)中存在材料缺陷和歐姆損耗,PV電池模型必須分別用串聯(lián)電阻(RS)和分流電阻(rsh)表示這些損耗。串聯(lián)電阻是一個關(guān)鍵參數(shù),因?yàn)樗拗屏薖V電池的最大可用功率(PMAX)和短路電流(ISC)。
  PV電池的串聯(lián)電阻(rs)與電池上的金屬觸點(diǎn)電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜志濃度和結(jié)深有關(guān)。在理想情況下,串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。分流電阻表示由于沿電池邊緣的表面漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下,分流電阻應(yīng)該為無窮大。
  要提取光伏電池的重要測試參數(shù),需要進(jìn)行各種電氣測量工作。這些測量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。
  直流電流-電壓(I-V)測量(提供V測量I)
  可以利用直流I-V曲線圖對PV電池進(jìn)行評測,I-V圖通常表示太陽能電池產(chǎn)生的電流與電壓的函數(shù)關(guān)系(如圖2所示)。電池能夠產(chǎn)生的最大功率(PMAX)出現(xiàn)在最大電流(IMAX)和電壓(VMAX)點(diǎn),曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測量工具(例如安培計和電壓源),或者集成了電源和測量功能的儀器(例如數(shù)字源表或者源測量單元SMU),生成這種I-V曲線圖。為了適應(yīng)這類應(yīng)用的需求,測試設(shè)備必須能夠在PV電池測量可用的量程范圍內(nèi)提供電壓源并吸收電流,同時,提供分析功能以準(zhǔn)確測量電流和電壓。簡化的測量配置如圖2所示。
電池電流(mA)/最大功率面積/電池電壓
圖2.該曲線給出了PV電池的典型正偏特性,其中最大功率(PMAX)出現(xiàn)在最大電流(IMAX)和最大電壓(VMAX)的交叉點(diǎn)。
太陽能電池
圖3.對太陽能電池進(jìn)行I-V曲線測量的典型系統(tǒng),由一個電流源和一個伏特計組成。
  測量系統(tǒng)應(yīng)該支持四線測量模式。采用四線測量技術(shù)能夠解決引線電阻影響測量精度的問題。例如,可以用其中一對測試引線提供電壓源,用另一對引線測量流過電池的電流。重要的是要把測試引線放在距離電池盡可能近一些的地方。
  圖4給出了利用SMU測出的一種被照射的硅太陽能電池的真實(shí)直流I-V曲線。由于SMU能夠吸收電流,因此該曲線通過第四象限,并且支持器件析出功率。
圖4.正偏(被照射的)PV電池的這種典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。
  其它一些可以從PV電池直流I-V曲線中得出的數(shù)據(jù)表征了它的總體效率——將光能轉(zhuǎn)換為電能的好快程度——可以用一些參數(shù)來定義,包括它的能量轉(zhuǎn)換效率、最大功率性能和填充因數(shù)。最大功率點(diǎn)是最大電池電流和電壓的乘積,這個位置的電池輸出功率是最大的。
  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(jìn)行比較的一種方式。理想情況下,它應(yīng)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(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到該電池的開路電壓(VOC)進(jìn)行掃描。在0V下,電流應(yīng)該等于短路電流(ISC)。當(dāng)電壓為VOC時,電流應(yīng)該為零。在如圖1所示的模型中,ISC近似等于負(fù)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(qiáng)下測量的正偏I(xiàn)-V曲線中得出。光強(qiáng)的大小并不重要,因?yàn)樗请妷鹤兓c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(guān)心的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線的遠(yuǎn)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(diǎn),電流變化的倒數(shù)與電壓的函數(shù)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,測量是在暗室中進(jìn)行的,從起始電壓為0V到PV電池開始擊穿的點(diǎn),測量輸出電流并繪制其與加載電壓的關(guān)系曲線。利用PV電池反偏I(xiàn)-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大?。ㄈ鐖D5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(xiàn)-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(jìn)行這些測量之外,我們還應(yīng)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纜。
  電容測量
  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(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(dǎo)體結(jié)的內(nèi)建電壓。電容-頻率掃描則能夠?yàn)槲覀儗ふ襊V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(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(shù)關(guān)系。與I-V測量一樣,電容測量也采用四線技術(shù)以補(bǔ)償引線電阻。電池必須保持四線連接。測試配置應(yīng)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(shù)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(jìn)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(guān)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(guān)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(jìn)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(guān)系。
  電阻率與霍爾電壓的測量
  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(jìn)行測量,其中可以采用四點(diǎn)共線探測技術(shù)或者范德堡方法。
  在使用四點(diǎn)共線探測技術(shù)進(jìn)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(shù)是范德堡方法。這種方法利用平板四周四個小觸點(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。
  范德堡電阻率測量方法需要測量8個電壓。測量V1到V8是圍繞材料樣本的四周進(jìn)行的,如圖7所示。
圖7.范德堡電阻率常用測量方法
  按照下列公式可以利用上述8個測量結(jié)果計算出兩個電阻率的值:
ρA=(π/ln2)(fAts)[(V1–V2+V3–V4)/4I]
ρB=(π/ln2)(fBts)[(V5–V6+V7–V8)/4I]
其中,ρA和ρB分別是兩個體積電阻率的值,ts=樣本厚度,單位是cm,V1–V8是測得的電壓,單位是V,I=流過光伏材料樣品的電流,單位是A,fA和fB是基于樣本對稱性的幾何系數(shù),它們與兩個電阻比值QA和QB相關(guān),如下所示:
QA=(V1–V2)/(V3–V4)
QB=(V5–V6)/(V7–V8)
  當(dāng)已知ρA和ρB的值時,可以根據(jù)下列公式計算出平均電阻率(ρAVG):
ρAVG=(ρA+ρB)/2
  高電阻率測量中的誤差可能來源于多個方面,包括靜電干擾、漏電流、溫度和載流子注入。當(dāng)把某個帶電的物理拿到樣本附近時就會產(chǎn)生靜電干擾。要想最大限度減少這些影響,應(yīng)該對樣本進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘我员苊馔獠侩姾?。這種屏蔽可以采用導(dǎo)電材料制作,應(yīng)該通過將屏蔽層連接到測量儀器的低電勢端進(jìn)行正確的接地。電壓測量中還應(yīng)該使用低噪聲屏蔽線纜。漏電流會影響高電阻樣本的測量精度。漏電流來源于線纜、探針和測試夾具,通過使用高質(zhì)量絕緣體,最大限度降低濕度,啟用防護(hù)式測量,包括使用三軸線纜等方式可以盡量減少漏電流。
  脈沖式I-V測量
  除了直流I-V和電容測量,脈沖式I-V測量也可用于得出太陽能電池的某些參數(shù)。特別是,脈沖式I-V測量在判斷轉(zhuǎn)換效率、最短載流子壽命和電池電容的影響時一直非常有用。
  本文詳細(xì)介紹的這些PV測量操作都可以利用針對半導(dǎo)體評測設(shè)計的自動化測試系統(tǒng)快速而簡便地實(shí)現(xiàn),例如來自吉時利儀器公司的4200-SCS半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)4。該系統(tǒng)能夠采用四針探測方式提供并吸收電流,并支持軟件控制的電流、電壓和電容測量。該系統(tǒng)可以配置各種源和測量模塊,進(jìn)行連續(xù)式的和脈沖式的I-V與C-V測量,得到一些重要的PV電池參數(shù)。例如,該系統(tǒng)可以利用4225-PMU模塊連接到PV電池上進(jìn)行脈沖式I-V掃描(如圖8所示)5。除了提供脈沖電壓源,該P(yáng)MU還能夠吸收電流,從而測出太陽能電池的輸出電流,如圖9所示。4200-SCS系統(tǒng)支持各種硬件模塊和軟件測量函數(shù)庫。
太陽能電池/SMA同軸線連接公共端
圖8.4225-PMU模塊可用于PV電池的脈沖式I-V測量
圖9.硅PV電池脈沖式I-V測量的繪圖表示曲線
 
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