改善太陽(yáng)能電池的測(cè)試：加快開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵(1)

太陽(yáng)能量的收集和轉(zhuǎn)換
在很多方面,太陽(yáng)能電池的工作原理類(lèi)似于植物通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的過(guò)程。這兩種系統(tǒng)都受量子力學(xué)的約束。來(lái)自太陽(yáng)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(yáng)能電池的效率低下的原因大部分是不同波長(zhǎng)的感光度不一致。在光合作用中，植物轉(zhuǎn)化650nm~680nm波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)能量的效率最高（接近地表太陽(yáng)波長(zhǎng)輻射的峰值，參見(jiàn)圖1）。沒(méi)有針對(duì)更高能量[例如，波長(zhǎng)小于400nm（紫光）]的能量包進(jìn)行有用的研究。太陽(yáng)能電池也如此，但是用芯片制成的太陽(yáng)能電池在1000nm波長(zhǎng)附近（視具體材料而定）具有最大感光度，此波長(zhǎng)的光強(qiáng)較弱并且光子能量包的能量?jī)H為650nm波長(zhǎng)光子能量包的一半（見(jiàn)圖1）。

測(cè)量目標(biāo)和困難
實(shí)際上，太陽(yáng)能電池的原理僅僅是一個(gè)專(zhuān)用的p-n結(jié)（見(jiàn)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(yáng)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(jí)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(jiàn)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(yáng)能電池的研究人員和用戶(hù)主要關(guān)注的問(wèn)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(cè)量分析性能并確定與太陽(yáng)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(kāi)路電壓與x軸相交（C點(diǎn)）。由太陽(yáng)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(lái)越多的能量被傳輸至負(fù)載。

當(dāng)電池安裝進(jìn)太陽(yáng)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(yáng)能電池，特定電池盒中的太陽(yáng)能電池可以安裝進(jìn)同一個(gè)陣列。這樣，每個(gè)太陽(yáng)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(yáng)能電池的測(cè)量問(wèn)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(cè)器）相比，正向偏壓的p-n結(jié)由于載荷子互相更靠近（見(jiàn)圖2），因而更多地表現(xiàn)為電容性。隨著太陽(yáng)能電池尺寸和結(jié)面積的增大，這一問(wèn)題變得更為突出。

圖1. 地表太陽(yáng)輻射與波長(zhǎng)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(yáng)能電池的p-n結(jié)表示

圖3. 正向偏壓太陽(yáng)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(yáng)能電池測(cè)試電路含有電抗元件，即線路電感和太陽(yáng)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(guò)纏繞載流線對(duì)可以減少載流線的環(huán)路面積，進(jìn)而顯著降低測(cè)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(duì)于穩(wěn)定電壓源工作尤為重要。

電容的問(wèn)題很棘手，因?yàn)榉浅ＯＭㄟ^(guò)施加恒定電壓和測(cè)量被測(cè)設(shè)備（DUT）的最終電流實(shí)現(xiàn)快速I(mǎi)-V測(cè)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(jiàn)圖3）。施加的正向偏壓應(yīng)低于電池的開(kāi)路電壓。因而，當(dāng)太陽(yáng)能電池受到光照時(shí)，通常采用無(wú)源（阻性）負(fù)載。當(dāng)沒(méi)有受到光照時(shí)，無(wú)論接什么負(fù)載，太陽(yáng)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(méi)有必要測(cè)試反偏壓的太陽(yáng)能電池。

I-V曲線（見(jiàn)圖3）的形狀由太陽(yáng)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?yáng)能電池在I-V曲線的大部分都近似于電流源。