【導讀】隨(sui)著(zhe)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)需(xu)求(qiu)增(zeng)長(chang)，太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)潛(qian)力(li)日(ri)益(yi)受(shou)到(dao)關(guan)注(zhu)，太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)通(tong)過(guo)吸(xi)收(shou)光(guang)子(zi)釋(shi)放(fang)電(dian)子(zi)，將(jiang)陽(yang)光(guang)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)。電(dian)氣(qi)測(ce)試(shi)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)研(yan)發(fa)和(he)生(sheng)產(chan)中(zhong)
，以(yi)表(biao)征(zheng)其(qi)性(xing)能(neng)，包(bao)括(kuo)直(zhi)流(liu)/脈衝電壓測量
、交流電壓測試等，分析關鍵參數如輸出電流
、轉換效率和最大功率輸出，常結合不同光強和溫度條件進行。

隨(sui)著(zhe)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)需(xu)求(qiu)增(zeng)長(chang)
，太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)潛(qian)力(li)日(ri)益(yi)受(shou)到(dao)關(guan)注(zhu)，太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)通(tong)過(guo)吸(xi)收(shou)光(guang)子(zi)釋(shi)放(fang)電(dian)子(zi)，將(jiang)陽(yang)光(guang)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)。電(dian)氣(qi)測(ce)試(shi)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)研(yan)發(fa)和(he)生(sheng)產(chan)中(zhong)，以(yi)表(biao)征(zheng)其(qi)性(xing)能(neng)，包(bao)括(kuo)直(zhi)流(liu)/脈衝電壓測量、交流電壓測試等

，分析關鍵參數如輸出電流、轉換效率和最大功率輸出
，常結合不同光強和溫度條件進行。

4200A-SCS參數分析儀可簡化這些電氣測量過程，集成直流和快速I-V、C-V測量功能
，具備控製軟件、圖形繪製和數學分析能力。它適用於多種測量，包括直流/脈衝I-V、C-V、C-f、驅動級電容分析(DLCP)

、四探針電阻率和霍爾電壓測量。本應用說明描述了如何使用4200A-SCS對光伏電池進行這些電測量。為了簡化光伏材料和電池的測試，4200A-SCS配有對應的測試和一個可以輕鬆地進行多項常用相關測量的項目
，包括I-V
、電容和電阻率測量
，還包括提取最大功率、短路電流
、缺陷密度等公共參數的公式。

直流電流/電壓（I-V）測量

太陽能電池的多項參數可通過電流-電壓 (I-V) 測量獲得。使用4200A-SCS的源測量單元 (SMU) 便可完成此任務
，它既可作為電壓源，又可測量電流。4200A-SCS的SMU具有四象限工作能力，能夠以施加電壓的函數吸收電池電流
，並提供四種型號：4200-SMU/4201-SMU（最大100mA）和4210-SMU/4211-SMU（最大1A）。若電池電流超出以上範圍，可通過減小電池麵積或使用吉時利SourceMeter®儀器獲得更高電流支持。

從I-V測量得到的參數

太陽能電池的等效電路模型包括光感應電流源 (IL)、二極管
、串聯電阻 (rs) 和分流電阻 (rsh)，其中串聯電阻影響短路電流和輸出功率，理想值為0Ω，而分流電阻反映漏流損耗

，理想值為∞。當光照射在太陽能電池上並連接負載電阻時，總電流為 I=ls(eqV/kT−1)−IL。表征電池效率的關鍵參數包括最大功率點 (Pmax)、能量轉換效率 (η) 和填充因子 (FF)，最大功率點對應電池I-V曲線的“拐點”
，此處輸出功率達到最大。

連接到太陽能電池進行I-V測量

圖1顯示了使用4200A-SCS連接太陽能電池進行I-V測量的配置。太陽能電池通過四線連接測試，其中一對引線 (Force) 提供電壓
，另一對引線 (Sense) 測量壓降。這種配置可消除引線電阻的影響
，確保測量的準確性，同時Sense端引線能補償電壓偏差，確保電池電壓與設定值一致。

圖1. 4200A-SCS連接到太陽能電池進行I-V測量

正向偏置I-V測量

太陽能電池的正向偏置I-V測量在受控光照下進行，通過“fwd-ivsweep”測試由4200A-SCS的SMU完成
，電壓從0掃至開路電壓 (Voc)。短路電流 (Isc) 和開路電壓 (Voc) 可直接從掃描數據中提取，其他參數如轉換效率 (η) 和電流密度 (J) 可通過公式器計算。I-V掃描結果可生成半對數圖或倒置圖形，以支持不同分析需求。

串聯電阻 (rs) 可通過不同光強下的正向I-V曲線確定，方法為連接線性區域點並測量其斜率的倒數。4200A-SCS的SMU具有極低的電壓負荷，僅幾百μV，與傳統數字萬用表相比，更適合太陽能電池的低電壓測量
，減少測試誤差。

反向偏置I-V測量

從反向偏置I-V數據可以推導出太陽能電池的漏電流和分流電阻 (rsh)。測試通常在暗室中進行
，通過逐步增加電壓至擊穿電平並測量電流繪製曲線。SMU的前置放大器支持pA級甚至更小的精確測量，使用低噪聲電纜和屏蔽盒可進一步減少幹擾，屏蔽連接至4200A-SCS的Force LO端子。

分流電阻 (rsh) 可通過反向偏置I-V曲線的線性區域斜率計算（如圖2所示）。Solar Cell Reverse I-V Sweep (“rev-ivsweep”) 測試可生成實際的反向偏置特性曲線，半對數圖顯示了電流絕對值與反向偏置電壓的關係（如圖3所示），用於更直觀的分析。

圖2. 太陽能電池典型的反向偏置特性

圖3. 用SMU測量矽太陽能電池的反向偏置 I-V

電容的測量

C-V測量在推導太陽能裝置的特定參數時是非常有用的。根據太陽能電池的類型，電容-電壓 (C-V) 測量可用於推導摻雜濃度和結的內置電壓等參數。電容 - 頻率(C-f) 掃描可用於提供耗盡區是否存在陷阱（空穴/阱 電 容）。4200A-SCS的可選4210-CVU或4215-CVU作為電容計，測量電容的相關函數：施加的直流電壓 (C-V)
，頻率 (C-f)，時間 (C-t)，或施加AC電壓。CVU還可以測量電導和阻抗。

為了進行電容測量，如圖4所示，將太陽能電池連接到CVU上。與使用SMU進行的I-V測量一樣，電容測量也涉及四線連接以補償引線電阻。HPOT/HCUR端子連接到陽極，LPOT/LCUR端子連接到陰極。將CVU的直流高壓源端連接到陽極。

圖4. 將太陽能電池連接到CVU電容計

圖4xianshilelaizidianrongjisigeduanzidesigentongzhoudianlandepingbilianjie。laizitongzhoudianlandepingbibixujinkenengkaojintaiyangnengdianchilianjiezaiyiqi，yihuodezuigaodejingdu，yinweizhejianshaoleceliangdianluzhongdiangandeyingxiang。zheduiyuzaigenggaodeceshipinlvxiajinxingdianrongceliangyouqizhongyao。

kaolvdaodianchidedianrongyuqijiandemianjizhijiexiangguan
，zaikexingdeqingkuangxia，kenengxuyaojianxiaodianchibenshendemianji，yibimiandianrongkenengguogaoerwufaceliang。ciwai
，jiangCVU設置為在較低的測試頻率和/或較低的AC驅動電壓下測量電容，將允許測量較高的電容。

C-V掃描

C-V測量可在正向或反向偏置下進行，但正向偏置時需限製直流電壓，以避免過高電導導致測量失敗
，且直流電流不得超過10mA，否則儀器可能進入鉗位狀態。反向偏置條件下，通過Solar Cell C-V Sweep測試生成的C-V曲線如圖5所示。

圖5. 矽太陽能電池的C-V掃描

為了進一步分析，可繪製1/C²與電壓的關係曲線（如圖6所示）。內置電壓可通過1/C²曲線與橫軸的交點推導，摻雜密度則作為電壓的函數顯示在Analyze窗口中。用戶可使用公式器輸入電池麵積以計算這些參數
，或通過線性擬合選項直接獲取內置電壓值。

圖6. 1/C2 vs. 矽太陽能電池的電壓

C-f掃描

CVU選項還可以測量電容、電導或阻抗與測試頻率的函數。頻率範圍從1kHz到10MHz。圖7中的曲線是使用Solar Cell C-f sweep或“cfsweep”ceshishengchengde。saomiaopinlvdefanweihepianzhidianyadoukeyitiaojie。suoxudecanshu，ruxianjingmidu
，keyicongdianrongyupinlvdeshujuzhongtiqu。celiangkeyizaibutongwenduxiazhongfujinxing。

圖7. Solar Cell的C-f掃描

驅動級電容分析 (DLCP)

驅動級電容分析 (DLCP) 是一種技術，用於確定陷阱密度 (NDL) 隨光伏電池結深的變化。在DLCP測量中，AC電壓的峰峰值進行掃頻，同時直流電壓隨著電容測量而變化。與傳統C-V測量不同，DLCP保持總施加電壓 (AC+直流) 恒定
，通過調節直流電壓偏置來改變樣品內固定位置 (Xe)，從而確定裸露電荷密度 (ρe)。

DLCP的de關guan鍵jian優you勢shi是shi能neng夠gou通tong過guo調tiao整zheng直zhi流liu偏pian置zhi
，分fen析xi陷xian阱jing密mi度du隨sui距ju離li變bian化hua的de特te性xing
，還hai可ke進jin行xing特te定ding深shen度du的de能neng量liang分fen析xi。此ci外wai，測ce量liang中zhong可ke改gai變bian測ce試shi頻pin率lv和he溫wen度du，以yi實shi現xian基ji於yu能neng量liang的de更geng詳xiang細xi分fen析xi。

脈衝式I-V測量

脈衝式I-V測量用於分析太陽能電池參數，如轉換效率、最小載流子壽命和電池電容影響。通過4225-PMU模塊進行測量
，可輸出脈衝電壓
、捕獲高速波形並吸收電流，支持單通道或雙通道配置，采用2線技術校正電纜電壓損失

，無需4線測量。

為(wei)確(que)保(bao)測(ce)量(liang)準(zhun)確(que)性(xing)，需(xu)驗(yan)證(zheng)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)足(zu)夠(gou)長(chang)，波(bo)形(xing)捕(bu)獲(huo)模(mo)式(shi)可(ke)用(yong)於(yu)動(dong)態(tai)測(ce)試(shi)和(he)脈(mai)衝(chong)設(she)置(zhi)優(you)化(hua)。對(dui)電(dian)容(rong)較(jiao)大(da)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)，可(ke)通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)電(dian)池(chi)麵(mian)積(ji)減(jian)少(shao)穩(wen)定(ding)時(shi)間(jian)。圖(tu)8顯示的結果表明，PMU吸收電流
，電流曲線延伸至第四象限。

圖8. 使用 4225-PMU對太陽能電池進行脈衝I-V測量

電阻率和霍爾電壓測量

電(dian)阻(zu)率(lv)的(de)大(da)小(xiao)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)，因(yin)此(ci)測(ce)量(liang)電(dian)池(chi)材(cai)料(liao)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)是(shi)一(yi)項(xiang)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)學(xue)測(ce)試(shi)。半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)四(si)探(tan)針(zhen)法(fa)測(ce)量(liang)，該(gai)方(fang)法(fa)能(neng)有(you)效(xiao)消(xiao)除(chu)探(tan)頭(tou)電(dian)阻(zu)、擴展電阻以及金屬觸點與材料之間接觸電阻引起的誤差。

常用的電阻率測量技術包括四探針法和範德堡法。SolarCell項目中包含了用於執行這兩種測量的多項測試，還提供了測量範德堡係數和霍爾係數的獨立測試。用戶可在Select視圖的搜索欄中輸入相應測試名稱（如vdp-surface-resistivity、vdp-volume-resistivity或hall-coefficient）以快速找到所需測試。

四探針測量法

四探針技術是將四個等間距的探針與阻值未知的材料接觸。如圖9所示，探針陣列被放置在材料的中心。兩個外部探針用於加載電流源
，兩個內部探針用於測量通過材料表麵產生的電壓差。

圖9. 四探針測電阻率

已知加載電流和被測電壓計算表麵或薄膜電阻率 :

如果樣品的厚度已知，則體電阻率可以按如下方式計算:

用範德堡法測量電阻率

範德堡(vdp)技術測量電阻率使用四個孤立的觸點在一個扁平的，任意形狀的樣品。電阻率是根據圖10所示在樣品周圍進行的8次測量得出的。

圖10. 範德堡電阻率測量方法

一旦完成了所有的電壓測量
，就可以推導出兩個電阻率值ρA 和ρB：

采用vdp-resistivity subsite和vdp法進行測試

為了實現vdp電阻率測量的自動化，solarcell項目有一個vdp-resistivity subsite，包含四個測試：“i1-v23”、“i2-v34”
、“i3-v41”和“i4-v12”。測試的截圖如圖11所示。

圖11. 範德堡測試的截圖

圖12. 範德堡測量的SMU配置

樣品的每個端子都連接到SMU的Force HI端子，因此需要帶有四個SMU的4200A-SCS。四個SMU在每個測試中的配置不同：一個SMU提供測試電流，兩個配置為電壓表，一個設置為公共端。在樣品周圍重複此測量設置，四個SMU中的每一個都在四個測試中的每個測試中發揮不同的功能。圖12顯示了每次測試中每個SMU的功能。

霍爾電壓測量

霍爾效應測量對於半導體材料的表征很重要，因為霍爾電壓可以導出導電類型、載流子密度和霍爾遷移率。在外加磁場的情況下，可以使用圖13所示的配置來測量霍爾電壓。

圖13. 霍爾電壓測量

SolarCell項目不包括測量霍爾電壓的具體測試；然而，可以在subsite上增加四個測試
，以確定霍爾係數和遷移率。考慮到霍爾測量的配置與範德堡電阻率測量非常相似，可以複製和修改vdp測試以進行霍爾電壓測量。這些修改涉及改變SMUdegongneng。ruguoshiyongyongciti，zekeyishiyongdongzuokuzhongdedongzuolaichuangjianyigeduihuakuangxiangmutishi，gaiduihuakuangjiangtingzhixiangmushuzhongdeceshixulie
，bingzhishiyonghugenggaiyingyongyuyangpindecichangxing。xiangmutishifushiyigeduihuakuangchuangkou，tazantingxiangmuceshixuliebingtishiyonghuzhixingmouxiecaozuo。youguanruheshiyongduihuakuangdongzuodeshuoming，qingcanyue4200A-SCS參考手冊。最後，在subsite的Calc表中推導出霍爾係數和遷移率。這些數學函數可以加到其他公式中，用於測定電阻率。

結論

測量太陽能電池的電特性對於確定設備的輸出性能和效率至關重要。4200A-SCS通過自動化I-V、C-V、脈衝I-V和電阻率測量來簡化電池測試

，並提供圖形和分析功能。對於大於1A的電流測量，Keithley提供可用於太陽能電池測試的源表儀器。代替使用四個獨立的測試在subsite的Cals表格中進行霍爾電壓測量，從庫中添加霍爾係數測試，它將所有測量和參數提取合並到一個測試中。

（來源：泰克科技）

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