太陽能電池 I-V 特性分析

太陽能或光伏 （PV） 電池是從光源中吸收光子然后釋放電子的裝置，當(dāng)電池與負(fù)載相連時(shí)促使電流流動(dòng)產(chǎn)生電力。光伏電池研究人員和制造商致力于以低的成本，實(shí)現(xiàn)高的效率。因此，對(duì)光伏電池和光伏材料進(jìn)行電氣特性分析是研究、 開發(fā)和制造過程的重要部分。對(duì)太陽能電池進(jìn)行電流-電壓特性分析可以獲得有關(guān)電池效能的重要參數(shù)，包括大電流（Imax） 和大電壓（Vmax）、開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）及效率（η）。

在太陽能電池I/V特性分析中使用的電源測(cè)量設(shè)備（Source-Measure-Unit, SMU）。

為何選擇SMU來進(jìn)行太陽能電池的I/V測(cè)試？

許多半導(dǎo)體和電子裝置測(cè)試皆涉及要盡可能快地輸出電壓和量測(cè)電流。整體測(cè)試時(shí)間是由充電時(shí)間、量測(cè)時(shí)間、放電時(shí)間，以及設(shè)定和處理測(cè)試時(shí)間所組成的函數(shù)。傳統(tǒng)的電源供應(yīng)器只能輸出電壓或電流，而無法輸入。

但是，四象限SMU儀器不僅可以輸出和輸入電壓和電流，同時(shí)還可以量測(cè)電壓、電流或電阻。 SMU儀器的四象限運(yùn)作透過自動(dòng)輸入模式，能夠迅速吸收來自待測(cè)裝置（DUT）和布線的所有電荷，可有效加速放電時(shí)間。此外，若將此輸出和量測(cè)能力緊密整合至單一儀器，即不再需要單獨(dú)的數(shù)字萬用電表（DMM）和電源供應(yīng)器。

這將可改善測(cè)試時(shí)間、簡(jiǎn)化整體測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提升可用性。因此，在太陽能電池的I/V測(cè)試中，四象限的源表SMU（Souce-Measure-Unit）是常用和推薦的。

低電流量測(cè)的噪聲主要來源之一：交流電源的干擾

在低電流的測(cè)試中，噪聲噪聲對(duì)讀值的影響是需要考慮的，一般噪聲來源有1） 靜電耦合; 2） 震動(dòng)/變形 3）飄移電流 4）交流電源干擾。其中交流電源的干擾是最嚴(yán)重的干擾。

交流電源如何產(chǎn)生干擾的噪聲呢？簡(jiǎn)單說，電測(cè)儀表的供電系統(tǒng)，多是由市電AC交流電壓供電后，由內(nèi)部的全波或是半波整流電路整流后，產(chǎn)生「直流電壓」，供應(yīng)給相關(guān)的放大電路、AD電路等。事實(shí)上，「直流電壓」仍會(huì)帶有「紋波」（ripple voltage）。此紋波電源就是一種微小的供電「不穩(wěn)定」，對(duì)測(cè)量電路的讀值也會(huì)跟著產(chǎn)生微小震蕩。這也就是我們?cè)谧x值上產(chǎn)生「跳動(dòng)」，形成噪聲的干擾。

全波整流與半波整流電路。兩者均可將AC交流的輸入電壓，整流、平滑后，輸出接近「直流」DC的電壓，但是仍會(huì)留有「紋波」特征。此紋波會(huì)對(duì)測(cè)量電路，形成讀值的「噪聲」。

因此，不論是源表SMU或是多菜單DMM，在設(shè)計(jì)上就必許考慮這種內(nèi)部電源紋波的噪聲影響。除了本身在交流-直流轉(zhuǎn)換電路上精進(jìn)，在低電流訊號(hào)測(cè)量上，更需要有將這種紋波噪聲噪聲與真正帶測(cè)訊號(hào)分離或消除的設(shè)計(jì)。目前源表SMU或多菜單DMM在自身的測(cè)量功能上都內(nèi)建了NPLC濾波與平均濾波的功能，來消除噪聲對(duì)待測(cè)訊號(hào)的干擾。以下就針對(duì)這兩種功能做簡(jiǎn)單說明。

SMU如何消除測(cè)量噪聲：內(nèi)建NPLC/濾波/移動(dòng)平均功能的介紹

NPLC濾波功能

NPLC是采樣電源的周期倍數(shù)，N代表是多少倍，PLC（Power Line Cycle）是電源線周期。如前述，交流電源的干擾是很厲害的。為了減少交流電源的干擾，一個(gè)常用的方法就是把測(cè)量周期盡可能的取成交流周波的整數(shù)倍。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)各種干擾能夠互相抵消。

不論是直流電壓、直流電流和電阻測(cè)量表的測(cè)量分辨率與精度，都會(huì)因?yàn)榻涣麟娫丛肼暥陆?。利用NPLC電源線周期的整數(shù)倍采樣，可以降低交流電源噪聲。使用N=1或是更大的NPLC會(huì)增加數(shù)據(jù)采集的積分時(shí)間，從而將噪聲消除，進(jìn)而提高測(cè)量分辨率與準(zhǔn)絕度。NPLC=100可以帶來高的準(zhǔn)確度，但是整個(gè)測(cè)試的時(shí)間會(huì)是NPLC=1的100倍。

讀者可能對(duì)于電測(cè)表的「積分時(shí)間」感覺很陌生、很難體會(huì)?？梢該Q個(gè)方式理解NPLC: NPLC的設(shè)定就決定源表SMU「自動(dòng)采樣平均」的次數(shù)。假設(shè)SMU的采樣一個(gè)讀值是固定的=1ms。市電頻率是50Hz，也就是一個(gè)電源線周期是0.02sec。當(dāng)設(shè)定NPLC=1時(shí)，源表就會(huì)自動(dòng)在采集（0.02sec/1ms）=20次，然后把這20次的采樣平均后輸出讀值。而這20次的采樣是平均分布在電源線周期的一個(gè)完整周期，所以平均下來就是0，也就消除了噪聲。當(dāng)單次采樣時(shí)間比1ms快很多，接近無窮小，則就是上述的「積分時(shí)間」的概念。

測(cè)量速度與性能兩難全。例如使用的交流電是50Hz，一個(gè)周期是0.02秒，因此若NPLC=1就是測(cè)量采樣周期為0.02秒，若NPLC=10就是測(cè)量采樣周期為0.2秒，若NPLC=50就是測(cè)量采樣周期為1秒。只有提高NPLC這樣才能抑制噪音，提高交流共模抑制比。當(dāng)然，有的時(shí)候要追求測(cè)量速度，采樣周期小于0.02秒，那必然要犧牲電表測(cè)試性能了。也就是前述的，NPLC=100可以帶來高的準(zhǔn)確度，但是整個(gè)測(cè)試的時(shí)間會(huì)是NPLC=1的100倍。

平均濾波器功能

平均濾波器的功能與NPLC=1的概念相似，藉由多次采樣后平均，可以有效的消除電源噪聲或是其他噪聲。

源表「濾波器」（Filter）功能，是內(nèi)建的「平均」的概念，為的也是有效的消除噪聲噪聲。藉由多次的采樣平均，來消出噪聲以提高測(cè)量的精度與分辨率。同樣的，平均計(jì)數(shù)越多，讀值結(jié)果就越精確，但所耗費(fèi)的時(shí)間就越久。不適合動(dòng)態(tài)變化的樣品（非平衡態(tài)）或是不穩(wěn)定的樣品。

如何啟動(dòng)NPLC的功能？

因?yàn)槊總€(gè)源表SMU都內(nèi)建了NPLC或是平均濾波器的功能。用戶可以利用儀表面板的按鈕功能或是編程控制NPLC或是濾波器的功能。