太阳能电池I-V特性表征

太阳能电池（光伏电池）是一种吸收光子并释放电子的器件，当连接负载时会产生电流，从而实现发电。光伏研究人员和制造商致力于以最低成本实现最高效率。因此，对光伏电池和材料的电学特性分析是研究、开发和制造过程中的关键环节。太阳能电池的电流-电压特性分析可以得到光伏性能的关键参数，包括最大电流(I_max)、最大电压(V_max)、开路电压(V_oc)、短路电流(I_sc)和效率(η)。 

太阳能电池I-V表征中使用的功率测量设备（源测量单元，SMU）。

SMU在太阳能电池I/V测试中的重要性

许多半导体和电子器件测试需要以最高效率输出电压并测量电流。整体测试时间包括充电时间、测量时间、放电时间、设置和处理测试时间。传统电源只能输出电压或电流而无法输入，而四象限SMU仪器既能输出也能输入电压和电流，并且能够测量电压、电流或电阻。SMU仪器的四个象限以自动输入模式运行，能够快速吸收被测器件（DUT）和线路中的所有电荷，有效加快放电时间。此外，将输出和测量功能集成到单一仪器中，无需独立的数字万用表（DMM）和电源，可以改善测试时间、简化整体测试系统设计并提高可用性。因此，四象限SMU（源测量单元）是太阳能电池I/V测试最推荐的解决方案。

低电流测量中的主要噪声源：交流电源干扰

在低电流测试中，必须考虑噪声对读数值的影响。常见的噪声源包括：

• 静电耦合：静电场的干扰
• 振动/形变：物理移动的影响
• 漂移电流：电流读数的渐变变化
• 交流电源干扰：最显著的干扰源

图示 全波整流器和半波整流器电路。两者都能整流和平滑输入的交流电压。输出接近”直流电压”，但仍保留”纹波”特性。这种纹波在仪表读数中产生”噪声”。

理解交流电源干扰

交流电源是如何产生干扰噪声的？电气测量仪器的电源系统主要使用来自内部全波或半波整流电路的交流电压来产生”直流电压”，用于相关放大电路、AD电路和其他组件。然而，这种”直流电压”包含”纹波电压”——一种微小的电源不稳定性，会影响测量电路读数，导致仪表读数波动，构成噪声干扰。

整流电路效应

全波和半波整流电路都能整流和平滑输入的交流电压。虽然输出接近”直流电压”，但保留了”纹波”特性，这会产生测量噪声。因此，SMU和DMM的设计都必须考虑内部电源纹波噪声。除了改进交流-直流转换电路外，低电流测量还需要将纹波噪声从真实信号中分离或消除。SMU和DMM设备在其测量功能中内置了NPLC和平均滤波器来消除噪声干扰。

SMU噪声消除：NPLC/滤波器/移动平均功能

NPLC滤波功能

NPLC（电源线周期）表示采样电源的周期倍数，其中N表示倍增因子。为了减少交流电源干扰，测量通常使用交流周期的整数倍，使各种干扰在一个周期内相互抵消。

• NPLC定义：表示信号采样持续时间（积分时间）的电源线周期数
• 测量影响：NPLC的整数倍产生最准确的测量，但受限于电源线频率（60Hz时1 PLC = 60次读数/秒，或50Hz时50次读数/秒）

上图是吉时利源表手册中NPLC滤波和采样的示意图。NPLC指电源线周期数，代表信号采样（或积分时间）的持续时间。使用NPLC的整数倍可以产生最准确的测量，但会受到电源线周期频率的限制（60Hz时1 PLC = 60次读数/秒，或50Hz时50次读数/秒）。

https://tw.tek.com/support/faqs/what-nplc-and-why-it-important

参考：泰克科技网站讨论了NPLC在电气测量设备中的重要性。直流电压、电流和电阻测量都会因交流电源噪声而性能下降。NPLC的整数倍采样可以减少这种干扰。

积分时间和性能权衡

使用NPLC ≥1会增加数据采集积分时间并消除噪声，提高测量分辨率和准确度。虽然NPLC=100提供最高的准确度，但与NPLC=1相比，测试时间会延长100倍。

上图的横轴是时间轴，纵轴是电压值。假设”感兴趣信号的DCV电平”为115.5mV，蓝色正弦波为”电源线噪声”。当NPLC=1时，整个采样周期恰好是”电源线噪声周期”，因此收集的平均噪声值为0。这个周期称为积分时间。

让我们看看NPLC=0.1的情况。假设NPLC=0.1，每次测量的时间周期为积分时间=1ms。数据采样只获取电源线噪声周期的一小部分，所以测量结果会包含噪声。这就是我们在上图中看到的结果：”感兴趣的信号”是115.5mV，但测量结果是116mV或114mV。

读者可能对电表的”积分时间”感到非常陌生，难以理解。您可以用另一种方式理解NPLC：NPLC的设置决定了SMU的”自动采样和平均”次数。假设SMU采样时间固定=1ms。交流电源频率为50Hz，这意味着一个电源线周期为0.02秒。当设置NPLC=1时，源表将自动采集(0.02秒/1ms)=20次，然后对这20个数据取平均值输出读数。这20个样本均匀分布在电源线周期的完整周期中，所以平均值为0，从而消除了噪声。当单次采样时间远快于1ms并接近无穷小时，就是上文提到的”积分时间”概念。

在测量速度和性能之间存在一个两难问题。例如，使用的交流电为50Hz，一个周期为0.02秒。因此，如果NPLC=1，测量采样周期为0.02秒；如果NPLC=10，测量采样周期为0.2秒；如果NPLC=50，测量采样周期为1秒。只有通过提高NPLC才能抑制噪声并改善交流共模抑制比。当然，有时必须追求测量速度，采样周期小于0.02秒，这就不可避免地要牺牲电表的测试性能。也就是说，NPLC=100可以带来最高的准确度，但整个测试时间将是NPLC=1的100倍。

平均滤波功能

平均滤波器的工作原理与NPLC=1类似，通过多次采样平均有效消除电源和其他类型的噪声。有两种滤波器类型可供选择：

• 移动平均：使用最新样本持续更新平均值
• 重复平均：按顺序对固定样本组进行平均

上图以吉时利电表为例，它具有内置的滤波功能。提供两种滤波类型：移动平均和重复平均。可以设置滤波计数和滤波窗口。如果将移动平均滤波器设置为滤波计数=10，其第一个读数值将显示第1至第10个采样值的平均值。第二个读数显示第2至第11个采样值的平均值，依此类推。如果将重复滤波器的滤波计数设置为10，第一个读数将是第1至第10个样本的平均值，然后输出读数。第二个读数将显示第11至第20个样本的平均值。

NPLC实施

由于每个源表SMU都内置了NPLC或平均滤波功能，用户可以使用仪器的前面板或程序控制NPLC或滤波功能。

上图显示了是德科技SMU的NPLC功能，解释了其NPLC参数和性能。读者可以按照手册说明使用前面板按钮设置NPLC功能。

上图是吉时利SMU2400手册中关于如何设置电源频率和NPLC的说明。想要进行程序控制的读者可以参考2400操作手册，其中有非常详细的说明。建议想要进行程序控制的读者需要对SMU的功能和仪器与计算机通信的概念有基本了解。这将有助于他们入门。适合具有基本仪器控制经验的读者。

IVS-KA6000 SMU控制实施

通过IVS-KA6000控制NPLC

源表SMU是太阳能电池I/V测试的最佳工具。作为最全面的太阳能电池I/V测量软件，IVS-KA6000提供广泛的功能：

• 多种SMU控制：兼容各种SMU型号
• 数据分析：根据设定参数收集和分析电流和电压数据
• 参数分析：直接分析太阳能电池参数，包括：
  • 短路电流
  • 开路电压
  • 填充因子
  • 最大功率
  • 转换效率

SMU控制流程步骤

1. 连接验证：
   
   

    

   • 在主屏幕左下角检查源表状态
   • 绿色指示灯确认SMU连接成功
   • 启用IVS-KA6000控制功能
2. 仪器设置：
   
   

    

   • 通过界面顶部的”仪器设置”访问
   • 进入仪器控制页面
3. 通信设置：
   
   

    

   • 导航至”主要”选项卡进行SMU通信设置
   • 从下拉菜单选择SMU
   • 自动配置通信参数
4. NPLC配置：
   
   

    

   • 选择”配置”进行高级SMU设置
   • 访问NPLC（”电源线周期数”）设置
   • 通过下拉菜单应用设置
   • 点击”确定”按钮确认
5. 其他设置：
   • 配置”电流限制”
   • 设置”二线/四线方法”
   • 根据需要调整其他SMU参数
6. 开始测试：
   • 返回主屏幕
   • 开始太阳能电池I/V测试

总结

四象限源表SMU是太阳能电池I/V测量的最佳选择。主要噪声干扰通常来自电源线周期噪声，这是在交流转直流电源转换过程中产生的。为解决这个问题，源表SMU内置了NPLC和滤波平均功能来消除噪声。用户可以通过以下方式控制这些功能：

• 面板控制：直接操作SMU界面
• 程序控制：实施通信命令
• 软件控制：使用IVS-KA6000界面

专业经验

• 自2008年以来，在钙钛矿和有机太阳能电池量子效率测量领域拥有超过十年的经验
• 全面的数据验证和分析软件，能够从量子效率光谱中快速提取物理参数
• 分析软件的物理模型已得到众多高影响因子期刊的验证和认可
• 简化了期刊审查提交的实验验证过程