改善太陽能電池的測試：加快開發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵(1)

太陽能量的收集和轉(zhuǎn)換
在很多方面,太陽能電池的工作原理類似于植物通過光合作用轉(zhuǎn)化太陽能的過程。這兩種系統(tǒng)都受量子力學(xué)的約束。來自太陽的能量以能量包的形式表示為E=hv，其中E代表能量，h是普朗克常數(shù)并且v代表光子的頻率。一個(gè)光子能量包必須具有一定量的能量，否則就會(huì)被浪費(fèi)。

造成太陽能電池的效率低下的原因大部分是不同波長的感光度不一致。在光合作用中，植物轉(zhuǎn)化650nm~680nm波長范圍的太陽能量的效率最高（接近地表太陽波長輻射的峰值，參見圖1）。沒有針對更高能量[例如，波長小于400nm（紫光）]的能量包進(jìn)行有用的研究。太陽能電池也如此，但是用芯片制成的太陽能電池在1000nm波長附近（視具體材料而定）具有最大感光度，此波長的光強(qiáng)較弱并且光子能量包的能量僅為650nm波長光子能量包的一半（見圖1）。

測量目標(biāo)和困難
實(shí)際上，太陽能電池的原理僅僅是一個(gè)專用的p-n結(jié)（見圖2）并且利用了任何半導(dǎo)體材料內(nèi)部都存在的光電效應(yīng)。當(dāng)進(jìn)入太陽能電池的光子能量大于p-n結(jié)的能帶隙時(shí)，光子從價(jià)帶（費(fèi)米能級以下）“躍遷”至導(dǎo)帶。這導(dǎo)致p-n結(jié)產(chǎn)生正向偏壓，使電子移動(dòng)到n區(qū)。如果外部電路連接至p-n結(jié)（見圖2），“躍遷”的電子將環(huán)繞電路并與p區(qū)的空穴重新結(jié)合。

太陽能電池的研究人員和用戶主要關(guān)注的問題是如何提高電池效率并且最大程度地提取能量。這需要用I-V測量分析性能并確定與太陽能電池的源阻抗最匹配的負(fù)載阻抗。在圖3中，最佳匹配在I-V曲線的A點(diǎn)。電池的短路電流與y軸相交（B點(diǎn)）并且開路電壓與x軸相交（C點(diǎn)）。由太陽能電池供電的系統(tǒng)應(yīng)盡可能地將能量傳送至負(fù)載所在的A點(diǎn)。由于能量不會(huì)被傳送到B點(diǎn)和C點(diǎn)，隨著工作點(diǎn)接近A點(diǎn)，逐漸有越來越多的能量被傳輸至負(fù)載。

當(dāng)電池安裝進(jìn)太陽能電池板陣列之后，負(fù)載阻抗至源阻抗的匹配變得更為重要。如果按照電池I-V特性的匹配程度排列太陽能電池，特定電池盒中的太陽能電池可以安裝進(jìn)同一個(gè)陣列。這樣，每個(gè)太陽能電池陣列就能工作在最大功率轉(zhuǎn)換點(diǎn)上。

大多數(shù)太陽能電池的測量問題與正向偏壓p-n結(jié)的電容量較大有關(guān)。與反向偏壓p-n結(jié)（例如，光電檢測器）相比，正向偏壓的p-n結(jié)由于載荷子互相更靠近（見圖2），因而更多地表現(xiàn)為電容性。隨著太陽能電池尺寸和結(jié)面積的增大，這一問題變得更為突出。

圖1. 地表太陽輻射與波長的近似關(guān)系；由于大氣層的衰減作用， AM1曲線低于AM0曲線。

圖2.太陽能電池的p-n結(jié)表示

圖3. 正向偏壓太陽能電池的I-V曲線。具有最大能量傳輸至負(fù)載的最佳工作點(diǎn)在A點(diǎn)

圖4a.太陽能電池測試電路含有電抗元件，即線路電感和太陽能電池的結(jié)電容。線路電感量是環(huán)路面積和線路尺寸的函數(shù)。

圖4b. 通過纏繞載流線對可以減少載流線的環(huán)路面積，進(jìn)而顯著降低測試電路的線路電感量。當(dāng)電池尺寸和電容量都很大時(shí)，降低線路電感量對于穩(wěn)定電壓源工作尤為重要。

電容的問題很棘手，因?yàn)榉浅ＯＭㄟ^施加恒定電壓和測量被測設(shè)備（DUT）的最終電流實(shí)現(xiàn)快速I-V測量。這可以使用臺(tái)階大量增加的電壓掃描建立I-V曲線（見圖3）。施加的正向偏壓應(yīng)低于電池的開路電壓。因而，當(dāng)太陽能電池受到光照時(shí)，通常采用無源（阻性）負(fù)載。當(dāng)沒有受到光照時(shí)，無論接什么負(fù)載，太陽能電池的電壓都接近于零。此外，由于反向偏壓的條件在實(shí)際使用中不會(huì)出現(xiàn)，沒有必要測試反偏壓的太陽能電池。

I-V曲線（見圖3）的形狀由太陽能電池的戴維南等效高阻抗決定。短路電流由入射光強(qiáng)度決定，并且隨著施加電壓的增加，短路電流減小。外部電路的電流由總電路電壓（施加電壓加上p-n結(jié)內(nèi)建電位）和入射光決定。隨著施加電壓的增加，電流不會(huì)馬上減小，因?yàn)樘柲茈姵卦贗-V曲線的大部分都近似于電流源。