利用4200A-SCS参数分析仪研究光伏材料和太阳能电池的电学特性

概述

随着清洁能源需求增长，太阳能的潜力日益受到关注，太阳能电池通过吸收光子释放电子，将阳光直接转化为电能。电气测试广泛用于研发和生产中，以表征其性能，包括直流/脉冲电压测量、交流电压测试等，分析关键参数如输出电流、转换效率和最大功率输出，常结合不同光强和温度条件进行。

4200A-SCS参数分析仪可简化这些电气测量过程，集成直流和快速I-V、C-V测量功能，具备控制软件、图形绘制和数学分析能力。它适用于多种测量，包括直流/脉冲I-V、C-V、C-f、驱动级电容分析(DLCP)、四探针电阻率和霍尔电压测量。这些功能可帮助优化太阳能电池性能，使其效率最大化。本应用说明描述了如何使用4200A-SCS对光伏电池进行这些电测量。

使用4200A-SCS进行电气测量

为了简化光伏材料和电池的测试，4200A-SCS配有对应的测试和一个可以轻松地进行多项常用相关测量的项目。这些测试包括I-V、电容和电阻率测量，还包括提取最大功率、短路电流、缺陷密度等公共参数的公式。

直流电流/电压（I-V）测量

太阳能电池的多项参数可通过电流-电压 (I-V) 测量获得。使用4200A-SCS的源测量单元 (SMU) 便可完成此任务，它既可作为电压源，又可测量电流。4200A-SCS的SMU具有四象限工作能力，能够以施加电压的函数吸收电池电流，并提供四种型号：4200-SMU/4201-SMU（最大100mA）和4210-SMU/4211-SMU（最大1A）。若电池电流超出以上范围，可通过减小电池面积或使用吉时利SourceMeter仪器获得更高电流支持。

从I-V测量得到的参数

太阳能电池的等效威廉希尔官方网站 模型包括光感应电流源 (IL)、二极管、串联电阻 (rs) 和分流电阻 (rsh)，其中串联电阻影响短路电流和输出功率，理想值为0Ω，而分流电阻反映漏流损耗，理想值为∞。当光照射在太阳能电池上并连接负载电阻时，总电流为 

I=ls(eqV/kT−1)−IL。表征电池效率的关键参数包括最大功率点 (Pmax)、能量转换效率 (η) 和填充因子 (FF)，最大功率点对应电池I-V曲线的“拐点”，此处输出功率达到最大。

连接到太阳能电池进行I-V测量

图1显示了使用4200A-SCS连接太阳能电池进行I-V测量的配置。太阳能电池通过四线连接测试，其中一对引线 (Force) 提供电压，另一对引线 (Sense) 测量压降。这种配置可消除引线电阻的影响，确保测量的准确性，同时Sense端引线能补偿电压偏差，确保电池电压与设定值一致。

图1. 4200A-SCS连接到太阳能电池进行I-V测量

正向偏置I-V测量

太阳能电池的正向偏置I-V测量在受控光照下进行，通过“fwd-ivsweep”测试由4200A-SCS的SMU完成，电压从0扫至开路电压 (Voc)。短路电流 (Isc) 和开路电压 (Voc) 可直接从扫描数据中提取，其他参数如转换效率 (η) 和电流密度 (J) 可通过公式器计算。I-V扫描结果可生成半对数图或倒置图形，以支持不同分析需求。

串联电阻 (rs) 可通过不同光强下的正向I-V曲线确定，方法为连接线性区域点并测量其斜率的倒数。4200A-SCS的SMU具有极低的电压负荷，仅几百μV，与传统数字万用表相比，更适合太阳能电池的低电压测量，减少测试误差。

反向偏置I-V测量

从反向偏置I-V数据可以推导出太阳能电池的漏电流和分流电阻 (rsh)。测试通常在暗室中进行，通过逐步增加电压至击穿电平并测量电流绘制曲线。SMU的前置放大器支持pA级甚至更小的精确测量，使用低噪声电缆和屏蔽盒可进一步减少干扰，屏蔽连接至4200A-SCS的Force LO端子。

分流电阻 (rsh) 可通过反向偏置I-V曲线的线性区域斜率计算（如图2所示）。Solar Cell Reverse I-V Sweep (“rev-ivsweep”) 测试可生成实际的反向偏置特性曲线，半对数图显示了电流绝对值与反向偏置电压的关系（如图3所示），用于更直观的分析。

图2. 太阳能电池典型的反向偏置特性

图3. 用SMU测量硅太阳能电池的反向偏置 I-V

电容的测量

C-V测量在推导太阳能装置的特定参数时是非常有用的。根据太阳能电池的类型，电容-电压 (C-V) 测量可用于推导掺杂浓度和结的内置电压等参数。电容 - 频率(C-f) 扫描可用于提供耗尽区是否存在陷阱（空穴/阱 电 容）。4200A-SCS的可选4210-CVU或4215-CVU作为电容计，测量电容的相关函数：施加的直流电压 (C-V)，频率 (C-f)，时间 (C-t)，或施加AC电压。CVU还可以测量电导和阻抗。

为了进行电容测量，如图4所示，将太阳能电池连接到CVU上。与使用SMU进行的I-V测量一样，电容测量也涉及四线连接以补偿引线电阻。HPOT/HCUR端子连接到阳极，LPOT/LCUR端子连接到阴极。将CVU的直流高压源端连接到阳极。

图4. 将太阳能电池连接到CVU电容计

图4显示了来自电容计四个端子的四根同轴电缆的屏蔽连接。来自同轴电缆的屏蔽必须尽可能靠近太阳能电池连接在一起，以获得最高的精度，因为这减少了测量威廉希尔官方网站 中电感的影响。这对于在更高的测试频率下进行电容测量尤其重要。

考虑到电池的电容与器件的面积直接相关，在可行的情况下，可能需要减小电池本身的面积，以避免电容可能过高而无法测量。此外，将CVU设置为在较低的测试频率和/或较低的AC驱动电压下测量电容，将允许测量较高的电容。

C-V扫描

C-V测量可在正向或反向偏置下进行，但正向偏置时需限制直流电压，以避免过高电导导致测量失败，且直流电流不得超过10mA，否则仪器可能进入钳位状态。反向偏置条件下，通过Solar Cell C-V Sweep测试生成的C-V曲线如图5所示。

图5. 硅太阳能电池的C-V扫描

为了进一步分析，可绘制1/C²与电压的关系曲线（如图6所示）。内置电压可通过1/C²曲线与横轴的交点推导，掺杂密度则作为电压的函数显示在Analyze窗口中。用户可使用公式器输入电池面积以计算这些参数，或通过线性拟合选项直接获取内置电压值。

图6. 1/C2 vs. 硅太阳能电池的电压

C-f扫描

CVU选项还可以测量电容、电导或阻抗与测试频率的函数。频率范围从1kHz到10MHz。图7中的曲线是使用Solar Cell C-f sweep或“cfsweep”测试生成的。扫描频率的范围和偏置电压都可以调节。所需的参数，如陷阱密度，可以从电容与频率的数据中提取。测量可以在不同温度下重复进行。

图7. Solar Cell的C-f扫描

驱动级电容分析 (DLCP)

驱动级电容分析 (DLCP) 是一种技术，用于确定陷阱密度 (NDL) 随光伏电池结深的变化。在DLCP测量中，AC电压的峰峰值进行扫频，同时直流电压随着电容测量而变化。与传统C-V测量不同，DLCP保持总施加电压 (AC+直流) 恒定，通过调节直流电压偏置来改变样品内固定位置 (Xe)，从而确定裸露电荷密度 (ρe)。

DLCP的关键优势是能够通过调整直流偏置，分析陷阱密度随距离变化的特性，还可进行特定深度的能量分析。此外，测量中可改变测试频率和温度，以实现基于能量的更详细分析。

脉冲式I-V测量

脉冲式I-V测量用于分析太阳能电池参数，如转换效率、最小载流子寿命和电池电容影响。通过4225-PMU模块进行测量，可输出脉冲电压、捕获高速波形并吸收电流，支持单通道或双通道配置，采用2线技术校正电缆电压损失，无需4线测量。

为确保测量准确性，需验证脉冲宽度足够长，波形捕获模式可用于动态测试和脉冲设置优化。对电容较大的太阳能电池，可通过减小电池面积减少稳定时间。图8显示的结果表明，PMU吸收电流，电流曲线延伸至第四象限。

图8. 使用 4225-PMU对太阳能电池进行脉冲I-V测量

电阻率和霍尔电压测量

电阻率的大小直接影响太阳能电池的性能，因此测量电池材料的电阻率是一项常见的电学测试。半导体材料的电阻率通常采用四探针法测量，该方法能有效消除探头电阻、扩展电阻以及金属触点与材料之间接触电阻引起的误差。

常用的电阻率测量技术包括四探针法和范德堡法。SolarCell项目中包含了用于执行这两种测量的多项测试，还提供了测量范德堡系数和霍尔系数的独立测试。用户可在Select视图的搜索栏中输入相应测试名称（如vdp-surface-resistivity、vdp-volume-resistivity或hall-coefficient）以快速找到所需测试。

四探针测量法

四探针技术是将四个等间距的探针与阻值未知的材料接触。如图9所示，探针阵列被放置在材料的中心。两个外部探针用于加载电流源，两个内部探针用于测量通过材料表面产生的电压差。

图9. 四探针测电阻率

已知加载电流和被测电压计算表面或薄膜电阻率 :

σ = 表面电阻率 (Ω/ □ )

V = 回读电压 (V)

I = 加载电流 (A)

如果样品的厚度已知，则体电阻率可以按如下方式计算:

ρ = 体电阻率 (Ω-cm)

t = 样品厚度 (cm)

k = 修正因子 * 基于探针间距与晶圆直径之比以及晶圆

厚度与探针间距之比

   

用范德堡法测量电阻率

范德堡(vdp)技术测量电阻率使用四个孤立的触点在一个扁平的，任意形状的样品。电阻率是根据图10所示在样品周围进行的8次测量得出的。

图10. 范德堡电阻率测量方法

一旦完成了所有的电压测量，就可以推导出两个电阻率值ρA 和ρB：

采用vdp-resistivity subsite

和vdp法进行测试

为了实现vdp电阻率测量的自动化，solarcell项目有一个vdp-resistivity subsite，包含四个测试：“i1-v23”、“i2-v34”、“i3-v41”和“i4-v12”。测试的截图如图11所示。

图11. 范德堡测试的截图

图12. 范德堡测量的SMU配置

样品的每个端子都连接到SMU的Force HI端子，因此需要带有四个SMU的4200A-SCS。四个SMU在每个测试中的配置不同：一个SMU提供测试电流，两个配置为电压表，一个设置为公共端。在样品周围重复此测量设置，四个SMU中的每一个都在四个测试中的每个测试中发挥不同的功能。图12显示了每次测试中每个SMU的功能。

霍尔电压测量

霍尔效应测量对于半导体材料的表征很重要，因为霍尔电压可以导出导电类型、载流子密度和霍尔迁移率。在外加磁场的情况下，可以使用图13所示的配置来测量霍尔电压。

图13. 霍尔电压测量

使用4200A-SCS测量霍尔电压

SolarCell项目不包括测量霍尔电压的具体测试；然而，可以在subsite上增加四个测试，以确定霍尔系数和迁移率。考虑到霍尔测量的配置与范德堡电阻率测量非常相似，可以复制和修改vdp测试以进行霍尔电压测量。这些修改涉及改变SMU的功能。

如果使用永磁体，则可以使用动作库中的动作来创建一个对话框项目提示，该对话框将停止项目树中的测试序列，并指示用户更改应用于样品的磁场性。项目提示符是一个对话框窗口，它暂停项目测试序列并提示用户执行某些操作。有关如何使用对话框动作的说明，请参阅4200A-SCS参考手册。最后，在subsite的Calc表中推导出霍尔系数和迁移率。这些数学函数可以加到其他公式中，用于测定电阻率。

结论

测量太阳能电池的电特性对于确定设备的输出性能和效率至关重要。4200A-SCS通过自动化I-V、C-V、脉冲I-V和电阻率测量来简化电池测试，并提供图形和分析功能。对于大于1A的电流测量，Keithley提供可用于太阳能电池测试的源表仪器。代替使用四个独立的测试在subsite的Cals表格中进行霍尔电压测量，从库中添加霍尔系数测试，它将所有测量和参数提取合并到一个测试中。