《電子技術(shù)應(yīng)用》
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光伏電池電氣性能的評(píng)測(cè)
MaryAnneTupta
吉時(shí)利儀器公司高級(jí)應(yīng)用工程師
摘要: 來(lái)自于日光的電能是真正“綠色”和廉價(jià)的能源,,但是需要基于光伏(PV)電池和存儲(chǔ)設(shè)備(例如電池)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),。PV或太陽(yáng)能電池在戶(hù)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(lái)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(yáng)能電池的功能非常簡(jiǎn)單:吸收太陽(yáng)光的光子并釋放出電子,。當(dāng)在太陽(yáng)能電池上連接負(fù)載時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流,。
Abstract:
Key words :

        來(lái)自于日光的電能是真正“綠色”和廉價(jià)的能源,,但是需要基于光伏(PV)電池和存儲(chǔ)設(shè)備(例如電池)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。PV或太陽(yáng)能電池在戶(hù)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(lái)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(yáng)能電池的功能非常簡(jiǎn)單:吸收太陽(yáng)光的光子并釋放出電子,。當(dāng)在太陽(yáng)能電池上連接負(fù)載時(shí),,就會(huì)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(cè)量,。這些測(cè)試工作可以在研發(fā)過(guò)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(cè)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(cè)試等。利用這些電氣測(cè)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(lèi)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(gè)感光電流源并聯(lián)一個(gè)二極管。光源中的光子被太陽(yáng)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(gè)外部負(fù)載連接到PV電池的輸出端,,那么就會(huì)產(chǎn)生電流,。
PV電池/光子hυ/負(fù)載

圖1.由一個(gè)串聯(lián)電阻(RS)和一個(gè)分流電阻(rsh)和一個(gè)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(xiàn)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(gè)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(wú)窮大。
  要提取光伏電池的重要測(cè)試參數(shù),,需要進(jìn)行各種電氣測(cè)量工作,。這些測(cè)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(cè)量(提供V測(cè)量I)
  可以利用直流I-V曲線(xiàn)圖對(duì)PV電池進(jìn)行評(píng)測(cè),,I-V圖通常表示太陽(yáng)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(xiàn)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(cè)量工具(例如安培計(jì)和電壓源),或者集成了電源和測(cè)量功能的儀器(例如數(shù)字源表或者源測(cè)量單元SMU),,生成這種I-V曲線(xiàn)圖,。為了適應(yīng)這類(lèi)應(yīng)用的需求,測(cè)試設(shè)備必須能夠在PV電池測(cè)量可用的量程范圍內(nèi)提供電壓源并吸收電流,,同時(shí),,提供分析功能以準(zhǔn)確測(cè)量電流和電壓。簡(jiǎn)化的測(cè)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(xiàn)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(yáng)能電池
圖3.對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V曲線(xiàn)測(cè)量的典型系統(tǒng),,由一個(gè)電流源和一個(gè)伏特計(jì)組成,。
  測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該支持四線(xiàn)測(cè)量模式。采用四線(xiàn)測(cè)量技術(shù)能夠解決引線(xiàn)電阻影響測(cè)量精度的問(wèn)題,。例如,,可以用其中一對(duì)測(cè)試引線(xiàn)提供電壓源,用另一對(duì)引線(xiàn)測(cè)量流過(guò)電池的電流,。重要的是要把測(cè)試引線(xiàn)放在距離電池盡可能近一些的地方,。
  圖4給出了利用SMU測(cè)出的一種被照射的硅太陽(yáng)能電池的真實(shí)直流I-V曲線(xiàn)。由于SMU能夠吸收電流,,因此該曲線(xiàn)通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)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(gè)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(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(shù)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(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(cè)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(cè)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(cè)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(yīng)該等于短路電流(ISC),。當(dāng)電壓為VOC時(shí),,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(cè)量的正偏I(xiàn)-V曲線(xiàn)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(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(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線(xiàn)的遠(yuǎn)正偏區(qū)域(far-forwardregion),,這時(shí)曲線(xiàn)開(kāi)始表現(xiàn)出線(xiàn)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(cè)量都是對(duì)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(cè)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(duì)于這些I-V曲線(xiàn),,測(cè)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(cè)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(xiàn)-V曲線(xiàn)的斜率也可以得到分流電阻的大?。ㄈ鐖D5所示),。從該曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū),可以按下列公式計(jì)算出分流電阻:
  rsh=ΔVReverseBias/ΔIReverseBias
V反偏/用于估算rsh的線(xiàn)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(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(cè)量之外,,我們還應(yīng)該對(duì)PV電池進(jìn)行正確地屏蔽,并在測(cè)試配置中使用低噪聲線(xiàn)纜,。
  電容測(cè)量
  與I-V測(cè)量類(lèi)似,,電容測(cè)量也用于太陽(yáng)能電池的特征分析。根據(jù)所需測(cè)量的電池參數(shù),,我們可以測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量而言具有較大面積的器件將具有較大的電容。
  C-V測(cè)量測(cè)得的是待測(cè)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(cè)量一樣,,電容測(cè)量也采用四線(xiàn)技術(shù)以補(bǔ)償引線(xiàn)電阻。電池必須保持四線(xiàn)連接,。測(cè)試配置應(yīng)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(cè)量的校正技術(shù)能夠減少線(xiàn)纜電容對(duì)測(cè)量精度的影響,。C-V測(cè)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(cè)量是激勵(lì)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(cè)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(cè)量,。必須調(diào)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(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(cè)量
  PV電池材料的電阻率可以采用四針探測(cè)的方式3,,通過(guò)加載電流源并測(cè)量電壓進(jìn)行測(cè)量,,其中可以采用四點(diǎn)共線(xiàn)探測(cè)技術(shù)或者范德堡方法。
  在使用四點(diǎn)共線(xiàn)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(jì)算得到:
  ρ=(π/ln2)(V/I)(tk)
  其中,,ρ=體積電阻率,單位是Ωcm,,V=測(cè)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(cè)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(cè)量產(chǎn)生的電壓,,待測(cè)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(cè)量方法需要測(cè)量8個(gè)電壓,。測(cè)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(cè)量方法
  按照下列公式可以利用上述8個(gè)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出兩個(gè)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(gè)體積電阻率的值,,ts=樣本厚度,單位是cm,,V1–V8是測(cè)得的電壓,,單位是V,I=流過(guò)光伏材料樣品的電流,,單位是A,,fA和fB是基于樣本對(duì)稱(chēng)性的幾何系數(shù),,它們與兩個(gè)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(shí),,可以根據(jù)下列公式計(jì)算出平均電阻率(ρAVG):
ρAVG=(ρA+ρB)/2
  高電阻率測(cè)量中的誤差可能來(lái)源于多個(gè)方面,,包括靜電干擾、漏電流,、溫度和載流子注入,。當(dāng)把某個(gè)帶電的物理拿到樣本附近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電干擾。要想最大限度減少這些影響,,應(yīng)該對(duì)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(guò)將屏蔽層連接到測(cè)量?jī)x器的低電勢(shì)端進(jìn)行正確的接地,。電壓測(cè)量中還應(yīng)該使用低噪聲屏蔽線(xiàn)纜,。漏電流會(huì)影響高電阻樣本的測(cè)量精度,。漏電流來(lái)源于線(xiàn)纜,、探針和測(cè)試夾具,通過(guò)使用高質(zhì)量絕緣體,,最大限度降低濕度,,啟用防護(hù)式測(cè)量,包括使用三軸線(xiàn)纜等方式可以盡量減少漏電流,。
  脈沖式I-V測(cè)量
  除了直流I-V和電容測(cè)量,,脈沖式I-V測(cè)量也可用于得出太陽(yáng)能電池的某些參數(shù)。特別是,,脈沖式I-V測(cè)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(shí)一直非常有用。
  本文詳細(xì)介紹的這些PV測(cè)量操作都可以利用針對(duì)半導(dǎo)體評(píng)測(cè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)快速而簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn),,例如來(lái)自吉時(shí)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(cè)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(cè)量,。該系統(tǒng)可以配置各種源和測(cè)量模塊,進(jìn)行連續(xù)式的和脈沖式的I-V與C-V測(cè)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(cè)出太陽(yáng)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(cè)量函數(shù)庫(kù),。
太陽(yáng)能電池/SMA同軸線(xiàn)連接公共端
圖8.4225-PMU模塊可用于PV電池的脈沖式I-V測(cè)量
圖9.硅PV電池脈沖式I-V測(cè)量的繪圖表示曲線(xiàn)
 
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