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(2)

對(duì)于大電容性DUT的快速I(mǎi)-V分析，采用輸出電壓和測(cè)量電流的方法合乎常理。盡管需要充電來(lái)改變大容性p-n結(jié)的電壓，低阻抗的電壓源能迅速驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池到每一個(gè)新的工作點(diǎn)。然而，在使用容性負(fù)載時(shí)電壓源會(huì)變得不穩(wěn)定，這就需要調(diào)整測(cè)量方法。
一種替代方法是輸出電流和測(cè)量電壓，這中方法會(huì)顯著增加測(cè)量時(shí)間。因?yàn)槿绻褂幂^小的電流（減少圖3中的右部區(qū)域）則需要很長(zhǎng)時(shí)間完成對(duì)電池電容的充電。而且，如果使用較大電流（圖3的左上部區(qū)域），由于I-V曲線(xiàn)接近平坦，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量中存在噪聲。
另一種替代方法是太陽(yáng)能電池接一個(gè)可變電阻負(fù)載。在特定的光照下，如果測(cè)量太陽(yáng)能電池電壓時(shí)可變電阻能在短路到開(kāi)路之間變化，就能得到I-V特性（即，Iload=Vcell/Rknown）。
電壓源穩(wěn)定性
當(dāng)使用輸出電壓/測(cè)量電流的方法測(cè)量太陽(yáng)能電池的I-V曲線(xiàn)時(shí)，由于電池電容對(duì)系統(tǒng)反饋環(huán)路產(chǎn)生的相移會(huì)使高速電壓源不穩(wěn)定（見(jiàn)圖4a）。然而，環(huán)路測(cè)試線(xiàn)引入的電感加劇了該問(wèn)題。如圖4a所示，電感量的大小由測(cè)試線(xiàn)環(huán)路面積決定。
表1定量分析了電感與各種太陽(yáng)能電池的電容相互作用的影響是太陽(yáng)能電池尺寸的函數(shù)。該表格舉例說(shuō)明了載流測(cè)試線(xiàn)的電感量（不是電壓感測(cè)線(xiàn)，因?yàn)殡妷焊袦y(cè)線(xiàn)中沒(méi)有電流）與太陽(yáng)能電池的電容量的關(guān)系，進(jìn)而得出推薦的電壓源帶寬。使用較寬帶寬電壓源的風(fēng)險(xiǎn)是導(dǎo)致測(cè)試環(huán)路不穩(wěn)定（振蕩），這可能得到不正確的I/V曲線(xiàn)。特定的測(cè)試條件和DUT要求更嚴(yán)格地限定電壓源的帶寬。
值得注意的是表1中的倒數(shù)第二行，由于較大的電容量和電感量導(dǎo)致電壓源的帶寬非常窄（≈9Hz）。既然DUT的電容量是給定的，那么電感量必須盡可能小。在該例中，如果電感量從123μH降至1μH，那么電壓源的帶寬增加約100Hz（見(jiàn)表1的最后一行）。如果采用這種電壓源并且允許電壓和電流對(duì)于階躍變化的建立時(shí)間為4倍時(shí)間常量（4τ），那么僅需6.3 ms就能得到可靠的測(cè)量結(jié)果。

表1.在一系列測(cè)試線(xiàn)的電感量和太陽(yáng)能電池的電容量條件下，推薦的電壓源帶寬用于穩(wěn)定測(cè)試環(huán)路
事實(shí)上，太陽(yáng)能電池的電容量隨著光強(qiáng)和施加電壓的變化而改變，這使得問(wèn)題更為復(fù)雜。更大的電容量會(huì)增加反饋環(huán)路的相移，剛開(kāi)始測(cè)試環(huán)路還能勉強(qiáng)穩(wěn)定。進(jìn)而，太陽(yáng)能電池入射光的噪聲和驅(qū)動(dòng)電池的電壓源噪聲會(huì)造成電池電容量的附加變化。雖然在I-V曲線(xiàn)的任何部分都可能出現(xiàn)不穩(wěn)定，但是當(dāng)太陽(yáng)能電池的偏壓接近0V時(shí)，測(cè)試環(huán)路不穩(wěn)定的概率更高。這是由于隨著p-n結(jié)向零偏壓過(guò)渡，太陽(yáng)能電池的電容量迅速改變。
隨著太陽(yáng)能電池的尺寸增大，測(cè)量問(wèn)題的難度也在提高。電池尺寸越大，所需的輸出電流將高達(dá)數(shù)十安培并且需要能測(cè)量這種大電流的儀器。可以使用一臺(tái)電壓源或者電源以及2臺(tái)DMM（同時(shí)測(cè)量電壓和電流）。雖然提供能驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的電源，但是大多數(shù)電源并非專(zhuān)為容性負(fù)載的快速電壓掃描設(shè)計(jì)。大多數(shù)電源含有內(nèi)部補(bǔ)償電路，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)于電壓階躍變化的建立時(shí)間較長(zhǎng)。因而，使用這種電壓源測(cè)量太陽(yáng)能電池I-V曲線(xiàn)所需的時(shí)間特別長(zhǎng)，尤其在自動(dòng)測(cè)試環(huán)境中。
當(dāng)PC通過(guò)GPIB（通用設(shè)備總線(xiàn)）控制測(cè)試儀器時(shí)，測(cè)試吞吐量會(huì)進(jìn)一步降低。即使采用高速電源，也都需要通過(guò)GPIB設(shè)置I-V曲線(xiàn)上的每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。而且，DMM測(cè)量的電壓和電流通過(guò)GPIB傳送至PC也會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試周期。
測(cè)量方案
有許多價(jià)格合理的測(cè)量?jī)x器能輸出和測(cè)量直流信號(hào)用于太陽(yáng)能電池的I-V特性分析。通常，選擇測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵在于速度和精度問(wèn)題。只要采取了防止高速源不穩(wěn)定的措施，這種輸出電壓/測(cè)量電流的方法通常能獲得最佳的測(cè)試效果。
如果不考慮使用的儀器，那么可以采用減少測(cè)試線(xiàn)環(huán)路面積的線(xiàn)路系統(tǒng)緩解測(cè)試線(xiàn)電感的影響。但是，測(cè)試線(xiàn)環(huán)路的面積可能很大，因?yàn)镈UT不一定靠近電壓源。幸運(yùn)的是，纏繞導(dǎo)線(xiàn)對(duì)能很容易地降低電感量（見(jiàn)圖4b）。絞線(xiàn)對(duì)還能降低通過(guò)電磁耦合進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)的噪聲。
纏繞載流的HI和LO測(cè)試線(xiàn)非常重要，這與電壓源的遠(yuǎn)程感測(cè)線(xiàn)剛好相反。當(dāng)電源線(xiàn)用于電壓感測(cè)時(shí)，使用分立的導(dǎo)線(xiàn)遠(yuǎn)程感測(cè)在太陽(yáng)能電池兩端的輸出電壓能夠避免由于壓降造成的不準(zhǔn)確。（分立感測(cè)線(xiàn)中的電流可忽略不計(jì)，因?yàn)檫@些感測(cè)線(xiàn)連接至電壓源的高阻輸入放大器。）
更為棘手的問(wèn)題是太陽(yáng)能電池的施加電壓改變導(dǎo)致電容量相應(yīng)變化，因?yàn)殡娙萘康淖兓黼娍乖钠椒?，這導(dǎo)致在測(cè)試電路（反饋）環(huán)路產(chǎn)生附加相移。消除附加相移最簡(jiǎn)單的方法是關(guān)閉環(huán)路以防該電抗元件的平方造成問(wèn)題。在電壓源的HI和LO輸出端增加純電容器件就能關(guān)閉環(huán)路。如果增加的電容量足夠大（約等于偏壓的太陽(yáng)能電池的電容量），那么在電抗元件的附加相移導(dǎo)致測(cè)試環(huán)路不穩(wěn)定之前，環(huán)路就會(huì)被關(guān)閉。盡管如此，從一開(kāi)始就應(yīng)當(dāng)選擇適合的電壓源。最好，開(kāi)始就選用帶快速階躍響應(yīng)的電壓源，然后只用增添外部電容就能穩(wěn)定測(cè)試環(huán)路。
大尺寸太陽(yáng)能電池的測(cè)量
如果太陽(yáng)能電池的面積特別大，那么前面討論的方法很難解決問(wèn)題，因而需要采用不同的解決方案。這不可避免地需要采用輸出電流、測(cè)量電壓的方法，雖然這種方法需要折衷考慮I-V測(cè)量的噪聲誤差和速率。

大面積太陽(yáng)能電池的測(cè)量方案
Source Meter = 數(shù)字源表
Solar Cell =太陽(yáng)能電池
圖5. 使用多臺(tái)源-測(cè)量?jī)x器提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，用于大面積太陽(yáng)能電池和電池板的I-V特性分析。
即便如此，合適的測(cè)量?jī)x器可以縮短測(cè)試時(shí)間。源-測(cè)量?jī)x器（亦稱(chēng)為數(shù)字源表）能同時(shí)輸出電流和測(cè)量太陽(yáng)能電池的電壓。這些儀器集成了（電壓或電流）源以及DMM的全部測(cè)量功能。（源-測(cè)量?jī)x器的優(yōu)點(diǎn)也適合于輸出電壓/測(cè)量電流模式測(cè)量較小尺寸的太陽(yáng)能電池。）源-測(cè)量?jī)x器的輸出電流模式允許對(duì)負(fù)載使用一個(gè)以上的源，每個(gè)源獨(dú)立地向太陽(yáng)能電池提供電流。圖5示出了一種接有多個(gè)并聯(lián)電流源的太陽(yáng)能電池。

使用并聯(lián)電流源時(shí)，在I-V測(cè)量的開(kāi)始階段，所有電流源都配置為零電流輸出，從而使太陽(yáng)能陣列在施加光照的條件下形成開(kāi)路電壓?？梢栽O(shè)置測(cè)試序列，再用得到的電流斜坡覆蓋所需的多個(gè)電流源的以達(dá)到要求的輸出電流最大值。當(dāng)?shù)谝浑娏髟催_(dá)到滿(mǎn)量程電流時(shí)，系統(tǒng)中的下一個(gè)電流源繼續(xù)向太陽(yáng)能電池陣列注入附加電流，以此類(lèi)推。如圖5所示，應(yīng)當(dāng)按照正常工作的太陽(yáng)能電池的電流極性啟動(dòng)全部電流源。
通過(guò)結(jié)合高速源與集成源內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)和測(cè)量功能，數(shù)字源表加快了I-V特性分析的速度。數(shù)字源表的一個(gè)創(chuàng)新特點(diǎn)是支持四象限操作的源功能（見(jiàn)圖6）。該功能允許數(shù)字源表用作太陽(yáng)能電池的可變阱（或負(fù)載）。采用四象限操作時(shí)，如果輸出電壓為正極性，電流就能流進(jìn)或流出HI端子，同時(shí)保持設(shè)置的電壓穩(wěn)定。反之，如果輸出電流為正極性，就能設(shè)置正極性或負(fù)極性的電壓源。當(dāng)負(fù)載需要比預(yù)置的最大值更高的電壓或電流時(shí)，數(shù)字源表還能在輸出電壓與輸出電流的模式之間自動(dòng)切換。

Duty cycle limited = 填充因子受限
圖6. 在太陽(yáng)能電池測(cè)試期間，四象限工作允許將數(shù)字源表用作源或者負(fù)載；當(dāng)用作源時(shí)，數(shù)字源表能在電壓或電流模式之間快速切換。
雖然使用一個(gè)直流源和兩臺(tái)DMM能對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V特性分析，但是數(shù)字源表避免了測(cè)試系統(tǒng)的集成問(wèn)題。而且，這種測(cè)試儀支持快速電壓掃描和電流掃描、快速切換模式和同時(shí)用高精度測(cè)量電路讀取全部數(shù)據(jù)（分辨率典型值為5位半）。
而且，大多數(shù)這些儀器都含有固件，避免了由分立DMM和通過(guò)GPIB控制電壓源導(dǎo)致的吞吐率降低。通常，固件僅需通過(guò)GPIB啟動(dòng)和停止信號(hào)用于控制。而且，內(nèi)部的大緩沖器允許將數(shù)據(jù)累積直至GPIB上出現(xiàn)空閑周期時(shí)才將讀數(shù)發(fā)送至PC控制器。與分立GPIB的儀器相比，這些特點(diǎn)的結(jié)合具有巨大的吞吐率優(yōu)勢(shì)。