上一篇
下一篇

We Make Sensors Better!

It is all about light. 

Accurate PV Testing SMU

精準測量-工具篇:

為什麼源表SMU要自帶濾波與平均功能?

內容

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 然後釋放電子的裝置,當電池與負載相連時促使電流流動產生電力。光伏電池研究人員和製造商致力於以最低的成本,實現最高的效率。因此,對光伏電池和光伏材料進行電氣特性分析是研究、 開發和製造過程的重要部分。對太陽能電池進行電流-電壓特性分析可以獲得有關電池效能的重要參數,包括最大電流 (Imax) 和最大電 壓 (Vmax)、開路電壓 (Voc)、短路電流 (Isc) 及效率 (η)。

Accurate PV Testing

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

為何選擇SMU來進行太陽能電池的I/V測試?

  許多半導體和電子裝置測試皆涉及要盡可能快地輸出電壓和量測電流。整體測試時間是由充電時間、量測時間、放電時間,以及設定和處理測試時間所組成的函數。傳統的電源供應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,同時還可以量測電壓、電流或電阻。 SMU儀器的四象限運作透過自動輸入模式,能夠迅速吸收來自待測裝置 (DUT) 和佈線的所有電荷,可有效加速放電時間。此外,若將此輸出和量測能力緊密整合至單一儀器,即不再需要單獨的數位萬用電表 (DMM) 和電源供應器。這將可改善測試時間、簡化整體測試系 統設計,並提升可用性。因此,在太陽能電池的I/V測試中,四象限的源表SMU (Souce-Measure-Unit)是最推薦的以是最常見的。

低電流量測的雜訊最大來源:交流電源的干擾

  在低電流的測試中,雜訊噪聲對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/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重的干擾。

  交流電源如何產生干擾的噪聲呢?簡單說,電測儀表的供電系統,多是由市電AC交流電壓供電後,由內部的全波或是半波整流電路整流後,產生「直流電壓」,供應給相關的放大電路、AD電路等。事實上,「直流電壓」仍會帶有「紋波」(ripple voltage)。此紋波電源就是一種微小的供電「不穩定」,對測量電路的讀值也會跟著產生微小震盪。這也就是我們在讀值上產生「跳動」,形成噪聲的干擾。

Full-wave rectifier and half-wave rectifier circuit.

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、平滑後,輸出接近「直流」DC的電壓,但是仍會留有「紋波」特徵。此紋波會對測量電路,形成讀值的「噪聲」。

  因此,不論是源表SMU或是多功能表DMM,在設計上就必許考慮這種內部電源紋波的噪聲影響。除了本身在交流-直流轉換電路上精進,在低電流訊號測量上,更需要有將這種紋波雜訊噪聲與真正帶測訊號分離或消除的設計。目前源表SMU或多功能表DMM在自身的測量功能上都內建了NPLC濾波平均濾波的功能,來消除噪聲對待測訊號的干擾。以下就針對這兩種功能做簡單說明。

SMU如何消除測量噪聲:內建NPLC/濾波/移動平均功能的介紹

NPLC濾波功能

  NPLC是採樣電源的周期倍數,N代表是多少倍,PLC (Power Line Cycle)是電源線週期。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,一個常用的方法就是把測量周期儘可能的取成交流周波的整數倍。這樣,在一個周期內各種干擾能夠互相抵消

NPLC filtering and sampling in the Keithley source meter manual

上圖是吉時利源表手冊上對於NPLC濾波與取樣的示意圖。NPLC 指的就是電源線週期的數量,表示訊號取樣的持續時間(或稱積分時間)。使用整數倍的NPLC可產生最準確的量測, 但您便會受限於電源線週期頻率 (在 60Hz 時 1 PLC = 60 讀數/s,或在50Hz時為 50 讀數/s)。

PV_the definition and importance of NPLC for electrical measurement equipment

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

  太克官網提到電測設備的NPLC定義及其重要性。不論是直流電壓、直流電流和電阻測量表的測量分辨率與精度,都會因為交流電源噪聲而下降。利用NPLC電源線週期的整數倍採樣,可以降低交流電源噪聲。使用N=1或是更大的NPLC會增加數據採集的積分時間,從而將噪聲消除,進而提高測量分辨率與準絕度。NPLC=100可以帶來最高的準確度,但是整個測試的時間會是NPLC=1的100倍。

  我們再來看看是德科技Keysight(前安捷倫)怎麼在描述內建NPLC功能與雜訊濾除。N的設定相當於就是決定了採樣的週期也決定了採樣的積分時間。N=1也就是訊號的採樣時間總和(或稱積分時間)與一個電源週期的總時間量相當,因此可以將雜訊平均,取得的平均值為零

time axis & voltage value

  上圖橫座標是時間軸,縱座標是電壓值。「感興趣的訊號DCV位準」假定是115.5mV,而藍色的弦波是「電源線雜訊」。當NPLC=1時整個採樣的週期剛好是「電源線雜訊的週期」,因此採集的平均雜訊值就是0。而這一段時間就稱為積分時間。

time axis & voltage value NPLC=0.1

  我們再來看一下當NPLC=0.1時的狀況。假設NPLC=0.1,每次測量的時間週期就是積分時間= 1ms。數據採樣只有取得電源線雜訊週期的一小部分,因此測量的結果會包含雜訊。也就是我們上圖所看到的結果:「感興趣的訊號」是115.5mV但是測量的結果是116mV或是114mV。

  讀者可能對於電測錶的「積分時間」感覺很陌生、很難體會。可以換個方式理解NPLC: NPLC的設定就決定源表SMU「自動採樣平均」的次數。假設SMU的採樣一個讀值是固定的=1ms。市電頻率是50Hz,也就是一個電源線周期是0.02sec。當設定NPLC=1時,源表就會自動在採集(0.02sec/1ms)=20次,然後把這20次的採樣平均後輸出讀值。而這20次的採樣是平均分布在電源線週期的一個完整週期,所以平均下來就是0,也就消除了雜訊。當單次採樣時間比1ms快很多,接近無窮小,則就是上述的「積分時間」的概念。

  測量速度與性能兩難全。例如使用的交流電是50Hz,一個周期是0.02秒,因此若NPLC=1就是測量採樣周期為0.02秒,若NPLC=10就是測量採樣周期為0.2秒,若NPLC=50就是測量採樣周期為1秒。只有提高NPLC這樣才能抑制噪音,提高交流共模抑制比。當然,有的時候要追求測量速度,採樣周期小於0.02秒,那必然要犧牲電錶測試性能了。也就是前述的,NPLC=100可以帶來最高的準確度,但是整個測試的時間會是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,藉由多次採樣後平均,可以有效的消除電源雜訊或是其他雜訊。

built-in Filter function

上圖以吉時利的電錶為例,其內建了Filter濾波器功能。其提供了移動平均與重複平均兩種濾波器類型,並且可以設置濾波器計數數目與濾波窗口。移動平均濾波器若設置濾波器計數=10,其第一個獨值會顯示第1到第10的採樣值平均。第二個讀值顯示,會將第2到第11的採樣值平均。以此類推。而重複濾波器若設置濾波器計數=10,其第一個讀值將會是第1~10的採樣平均後,輸出讀值。第二個讀值將會顯示第11~20的採樣的平均值。

  源表「濾波器」(Filter)功能,是內建的「平均」的概念,為的也是有效的消除噪聲雜訊。藉由多次的採樣平均,來消出雜訊以提高測量的精度與解析度。同樣的,平均計數越多,讀值結果就越精確,但所耗費的時間就越久。不適合動態變化的樣品(非平衡態)或是不穩定的樣品。

如何啟動NPLC的功能

  因為每個源表SMU都內建了NPLC或是平均濾波器的功能。使用者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。

NPLC function of Keysight's SMU

上圖為是德科技的SMU源表,針對其NPLC參數與性能的說明。讀者可以依照其手冊說明,利用其面板按鈕來設定NPLC的功能。

main frequency and NPLC in the Keithley SMU2400 manual

上圖是吉時利SMU2400手冊中,對於如何設定市電頻率與NPLC的說明。想要編程控制的讀者,可參考2400的操作手冊,有十分詳細的指令功能介紹。建議想要編程控制的讀者,需要對電錶SMU各項功能還有與電腦通訊概念都有基本了解,比較能夠上手。適合有儀表控制基礎的讀者。

IVS-KA6000如何控制源表NPLC功能?

  前面我們提到太陽能電池的測量上,源表SMU是最佳的I/V測試工具。作為太陽能電池I/V測量的最強軟件IVS-KA6000,不僅可控制多種SMU,並依據所設定的測量參數,進行電流與電壓的資料獲取、分析。在採集完成後,軟體可以直接分析待測太陽能電池的相關參數,包括短路電流、開路電壓、填充因數、最大功率、轉換效率等。因此,SMU的NPLC的設定是屬於IVS-KA6000的基礎功能模塊。

按照下面的圖文步驟就能控制許多SMU的功能,包含NPLC設定。

1. 確定IVS-KA6000與SMU的通訊連結。只要勾選主畫面左下方區塊的Source-Meter,顯示綠燈就代表與SMU成功連結,可以透過IVS-KA6000控制SMU。

SMU Connection

2. 點選上方「Setup Test」區塊,進入各種的儀表控制頁面。

SMU Connection Instr. Setup

3. 進入儀表設定畫面,第一個分頁(紅色方框)「Main」就是SMU的選擇以及相關的通訊設定。使用者只要藉由下拉選單選擇所使用的SMU,右方的藍色方框的通訊設定值就會自動設定。無需使用者再翻閱SMU手冊進行相關數值設定。

SMU Connection Config

4. 選擇下方黃色方框的「Config」可以進入SMU的進一步設置。進入後就可以看到NPLC(“Number Power Line Cycles”)的設置。透過下拉選單選定後,按下「OK」按鈕,即可完成設定。

Number Power Line Cycles

5. 在此功能設定頁面,除了NPLC的設定,SMU內部的「電流上限」與「兩線法/四線法」設定,也可以在此頁面簡單的完成。

6. 回到主畫面,就可以開始太陽能電池的I/V測試。

總結

  太陽能電池I/V測量系統在電測方面最適合採用四象限的源表SMU。在電測過程中,最大的噪聲來源通常來自於電源線週期噪聲。電源線週期噪聲來自於交流電源轉換成直流電源後,仍帶有週期性的紋波,進而產生干擾噪聲。所以源表SMU均內建NPLC與濾波平均功能,以消除週期性的紋波噪聲。一般可以透過SMU面板控制功能來設定與控制NPLC或是平均濾波器功能,也可以透過通訊指令編程控制。最簡單的方式,是透過最強大的I/V測試軟件IVS-KA6000即可簡單的控制NPLC濾波平均功能。

推薦儀器
SS-X Solar Simulator

SS-X 模擬器 是一款A+光譜等級的超級太陽光模擬器:

  • 具備更低的光譜失配誤差,資料更好更準確,文獻發表沒困擾。
  • 自動變光強測試分析理想因數n與更高的1sun。
  • 更高的1sun維持工作時數與更簡便的操作與維護。
量子效率 PV/ Solar Cell Quantum Efficiency Measurement Solutions

可信賴性

  • 擁有ISO17025 量子效率光電校正實驗室認證之設備製造商。
  • 國際期刊提及之設備製造商。
  • 量子效率量測儀出貨量超過五百台。
  • 測量結果大量被高引論文及高影響因數期刊採用。

專業服務

  • 超過十年鈣鈦礦和有機太陽能電池測量經驗。
  • 儀器具有資料驗證分析功能,協助課題團隊快速的針對量測資料分析實驗結果,在文章發表上可精准的提出研究方法及機理。
  • 與太陽能電池類文章頂刊發表需要用到的量測結果檢核表同步,學生發表文章不煩惱。

Leave a Reply

回到頂端
Join Our Newsletter
Subscribe now to Enlitech Light Simulator and Quantum Efficiency newsletter.