改善太阳能电池的测试：加快开发和生产的关键(1)

为了提高太阳能电池效率以及匹配分立电池用于电池板的构建，太阳能电池的开发和生产需要测试大量的材料和器件。因而，十分有必要进行快速测试，但是快速测试要求了解电池的实际结构和电池测量的隐含义。

太阳能量的收集和转换

在很多方面,太阳能电池的工作原理类似于植物通过光合作用转化太阳能的过程。这两种系统都受量子力学的约束。来自太阳的能量以能量包的形式表示为E=hv，其中E代表能量，h是普朗克常数并且v代表光子的频率。一个光子能量包必须具有一定量的能量，否则就会被浪费。

造成太阳能电池的效率低下的原因大部分是不同波长的感光度不一致。在光合作用中，植物转化650nm~680nm波长范围的太阳能量的效率最高（接近地表太阳波长辐射的峰值，参见图1）。没有针对更高能量[例如，波长小于400nm（紫光）]的能量包进行有用的研究。太阳能电池也如此，但是用芯片制成的太阳能电池在1000nm波长附近（视具体材料而定）具有最大感光度，此波长的光强较弱并且光子能量包的能量仅为650nm波长光子能量包的一半（见图1）。

测量目标和困难

实际上，太阳能电池的原理仅仅是一个专用的p-n结（见图2）并且利用了任何半导体材料内部都存在的光电效应。当进入太阳能电池的光子能量大于p-n结的能带隙时，光子从价带（费米能级以下）“跃迁”至导带。这导致p-n结产生正向偏压，使电子移动到n区。如果外部电路连接至p-n结（见图2），“跃迁”的电子将环绕电路并与p区的空穴重新结合。

太阳能电池的研究人员和用户主要关注的问题是如何提高电池效率并且最大程度地提取能量。这需要用I-V测量分析性能并确定与太阳能电池的源阻抗最匹配的负载阻抗。在图3中，最佳匹配在I-V曲线的A点。电池的短路电流与y轴相交（B点）并且开路电压与x轴相交（C点）。由太阳能电池供电的系统应尽可能地将能量传送至负载所在的A点。由于能量不会被传送到B点和C点，随着工作点接近A点，逐渐有越来越多的能量被传输至负载。

当电池安装进太阳能电池板阵列之后，负载阻抗至源阻抗的匹配变得更为重要。如果按照电池I-V特性的匹配程度排列太阳能电池，特定电池盒中的太阳能电池可以安装进同一个阵列。这样，每个太阳能电池阵列就能工作在最大功率转换点上。

大多数太阳能电池的测量问题与正向偏压p-n结的电容量较大有关。与反向偏压p-n结（例如，光电检测器）相比，正向偏压的p-n结由于载荷子互相更靠近（见图2），因而更多地表现为电容性。随着太阳能电池尺寸和结面积的增大，这一问题变得更为突出。

图1. 地表太阳辐射与波长的近似关系；由于大气层的衰减作用， AM1曲线低于AM0曲线。

图2. 太阳能电池的p-n结表示

图3. 正向偏压太阳能电池的I-V曲线。具有最大能量传输至负载的最佳工作点在A点

图4a. 太阳能电池测试电路含有电抗元件，即线路电感和太阳能电池的结电容。线路电感量是环路面积和线路尺寸的函数。

图4b. 通过缠绕载流线对可以减少载流线的环路面积，进而显著降低测试电路的线路电感量。当电池尺寸和电容量都很大时，降低线路电感量对于稳定电压源工作尤为重要。

电容的问题很棘手，因为非常希望通过施加恒定电压和测量被测设备（DUT）的最终电流实现快速I-V测量。这可以使用台阶大量增加的电压扫描建立I-V曲线（见图3）。施加的正向偏压应低于电池的开路电压。因而，当太阳能电池受到光照时，通常采用无源（阻性）负载。当没有受到光照时，无论接什么负载，太阳能电池的电压都接近于零。此外，由于反向偏压的条件在实际使用中不会出现，没有必要测试反偏压的太阳能电池。

I-V曲线（见图3）的形状由太阳能电池的戴维南等效高阻抗决定。短路电流由入射光强度决定，并且随着施加电压的增加，短路电流减小。外部电路的电流由总电路电压（施加电压加上p-n结内建电位）和入射光决定。随着施加电压的增加，电流不会马上减小，因为太阳能电池在I-V曲线的大部分都近似于电流源。