基于LabVIEW的多晶硅太陽能電池噪聲精確測試方法

高 健，周求湛，戴宏亮，劉 超，吳丹娥，劉萍萍，于莉莉

（1.吉林大學通信工程學院，吉林 長春 130025；

2.吉林大學網絡中心，吉林 長春 130025；

3.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；

4.佳木斯大學國際學院，黑龍江 佳木斯 154007）

基于LabVIEW的多晶硅太陽能電池噪聲精確測試方法

高 健1，周求湛1，戴宏亮2，劉 超1，吳丹娥1，劉萍萍3，于莉莉4

（1.吉林大學通信工程學院，吉林 長春 130025；

2.吉林大學網絡中心，吉林 長春 130025；

3.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；

4.佳木斯大學國際學院，黑龍江 佳木斯 154007）

介紹了多晶硅太陽能電池的噪聲測試方法，利用其噪聲進行可靠性篩選，設計了一套完整的太陽能噪聲測試系統，自動測量了太陽能電池噪聲，詳細研究了多晶硅太陽能電池噪聲測試方法及過程.實驗結果證明，運用噪聲測試可以快速、準確、無損地對多晶硅太陽能電池進行可靠性篩選.

太陽能電池；噪聲測量；可靠性

太陽能是干凈、無污染的能源，并且取之不盡用之不竭.太陽能電池直接將太陽能轉換成電能，是利用太陽能資源最直接有效的方法之一.太陽能電池的應用日趨廣泛，特別是在人造衛星的動力供應方面有著不可替代的作用.隨著應用的推廣，對太陽能電池及其組件的可靠性進行高效且無損的測試引起了國內外的高度關注.大量研究表明，器件內部的低頻噪聲是表征器件可靠性的敏感參數之一［1］，且噪聲測試作為一種快速、無損的測試方法，已被用于多種器件的可靠性估計［2－3］.自1990年以來，低頻噪聲已經被用來估計單極／雙極晶體管、集成放大器件、光電耦合器件、金屬膜電阻和其他組件的可靠性.隨著低頻噪聲機理及測試方法研究深入的展開，低頻噪聲的測量與分析正在成為半導體壽命預測及可靠性估計的一種新手段.此法具有快捷、簡便和非破壞性等優點，從而引起研究人員的廣泛關注［4］.基于LabVIEW的虛擬儀器技術也得到了測試測量領域研究者的廣泛應用［5－6］.

但將噪聲用于多晶硅太陽能電池的可靠性估計還存在若干未解決的關鍵性問題.因此，本文主要介紹了多晶硅太陽能電池的噪聲測試方法，進而討論利用噪聲進行可靠性篩選，最終構建一套多晶硅太陽能電池噪聲測試系統.

1 噪聲測量作為可靠性篩選的指標

硅太陽能電池是指具有大規模PN結的半導體器件.因此它的噪聲特性與半導體器件的噪聲特性相似.低頻噪聲可以用于半導體器件內部缺陷的判斷，對其可靠性做出評估的依據是每個半導體器件都存在熱噪聲、散彈噪聲及1／f噪聲.但當器件的Si—SiO2表面PN結及溝道內部存在缺陷時，則實際噪聲將會顯著增加.為此將前者稱為基本噪聲，后者稱為過激噪聲［7］.這種過激噪聲的主要形式為1／f噪聲和產生－復合噪聲（G-R噪聲），嚴重時會出現爆裂噪聲，在PN結臨近反向擊穿區附近還會出現白噪聲顯著增加現象.只要能測到半導體器件過激噪聲，則可判斷器件缺陷和可靠性.由此可見多晶硅太陽能電池（組件）的質量和可靠性估計，取決于對器件過激噪聲的測試和計算.

1.1 1／f噪聲

1／f噪聲即閃爍噪聲，它是1925年由約翰遜最早在電子管中觀察到的，是一種低頻率噪聲的主要成分.1／f噪聲的功率譜與其頻率成反比，其功率譜表達式如（1）式所示.所謂的比例隨機波動的現象，是有源器件中載波密度的隨機波動而產生的，它會對中心頻率信號進行調制，并在中心頻率上形成2個邊帶，降低了振蕩器的Q值.由于1／f噪聲是在中心頻率附近的主要噪聲，因此1／f噪聲是設備可靠性的重要指標［7］.

其中：SR是噪聲功率譜密度；N是自由載流子的總數目；f是頻率；假設有N個電子沒有相關的噪聲源，參數α是電子相關的噪聲在1Hz的值.α值介于10－6～10－3，取決于電子的分布和晶格類型的不同水平.近年來的結果表明，α主要是由晶格分布造成的.過激1／f噪聲是由器件表面或體內缺陷引起的.1／f噪聲的大小與器件的質量、可靠性有密切的關系，所以對器件1／f噪聲的測試具有十分重要的價值.

1.2 G-R噪聲

半導體材料或器件中存在著能夠發射或俘獲載流子的各種雜質中心.這些雜質中心對載流子的發射和俘獲是一種隨機事件，因此使占據其能級的載流子數目隨機漲落，引起體內電位波動，從而使通過半導體內部電流值產生波動，稱為G-R噪聲［8］.可見器件G-R噪聲直接與半導體中的缺陷（雜質、晶格位錯）有關，通過對器件G-R噪聲測量，成為分析器件內在缺陷及可靠性篩選的有效方法.

G-R噪聲的頻譜為洛倫茲譜，表達式如式（2）所示.

其中：τ0＝1／ω0為特征時間，ω0是特征頻率；ω＝2πf.

1.3 爆裂噪聲

爆裂噪聲（Burst Noise）是由一系列寬度不同而幅度相近的隨機脈沖構成的.其脈沖幅度通常是高于其他類型的噪聲.爆裂噪聲是由半導體器件比較嚴重的缺陷引起的［9］.其噪聲頻譜可以表示為其中：Ab為缺陷的種類；τb定義為1／τb＝1／τ1＋1／τ2，它和參數Ab包含了缺陷信息.

爆裂噪聲本質上屬于G-R噪聲，但缺陷較嚴重（結晶位錯，重金屬雜質凝聚等）.它主要出現在PN結區，不僅會影響器件的可靠性，同時也會妨礙器件的正常工作，特別是在數字電路中會引起誤觸發現象.所以從何種角度看，具有爆裂噪聲的器件均是應該篩選掉的［10］.

2 多晶硅太陽能電池低頻噪聲測試設計

本文測試系統是基于虛擬儀器進行構建的.NI公司提出“軟件即儀器”的虛擬儀器概念.LabVIEW也是美國國家儀器公司NI（National Instruments）推出的圖形化編程語言——G語言，產生的程序是框圖的形式，易學易用，適合硬件工程師、實驗室技術人員、生產線工藝技術人員學習和使用，可在很短的時間內掌握并應用到實踐中去，特別是對于熟悉儀器結構和硬件電路的工程技術人員及測試技術人員來說，編程就像設計電路圖一樣.因此在很短的時間內就能夠學會并應用LabVIEW.基于LabVIEW的多晶硅太陽能電池噪聲測試系統框圖如圖1所示.

圖1 多晶硅太陽能電池噪聲測試系統框圖

測試系統主要包含測試偏置電路、低噪聲放大器、數據采集設備和上位機程序4個部分.需要說明的是，因為噪聲測試需要嚴格抑制外界干擾，所以采用了雙層屏蔽盒.為了減少放大器本底噪聲對測試的影響，采用了雙通道放大器，上位機采用互譜算法，能夠有效消除放大器本底噪聲對測量結果的影響.

圖2為太陽能電池測試偏置電路.因為太陽能電池的噪聲本身是一個不可以測量的量，所以通過把電池產生的噪聲折射到電阻上，這樣通過測量電阻兩端的電壓，即可反應器件的噪聲.圖3為測試系統界面圖.

圖2 多晶硅太陽能電池噪聲測試偏置電路

3 多晶硅太陽能電池噪聲測試方法研究

圖3 測試系統界面圖

分別測量多晶硅太陽能電池正偏條件下的輸出噪聲功率譜.因為測的是負載電阻Rs兩端的電壓，含有直流分量，因此需要加一個隔直電容濾除直流分量，這樣得到的即是交流的噪聲分量，通過雙通道放大器進行放大，得到兩路互不相關的信號，輸入到上位機進行FFT變換，得到其功率譜.測量過程中通過提取某些特殊頻點的噪聲功率譜值，比如1Hz，10Hz，1kHz與1Hz的噪聲值的比值.通過分析，我們可知，可以用1Hz處的噪聲值大小代表1／f噪聲的大小，可以用10Hz和1Hz的噪聲比值判斷G-R噪聲的大小.至于爆裂噪聲，我們可以通過時域波形觀察得到，凡是具有爆裂噪聲的器件，肯定是缺陷嚴重的器件，應篩除掉.

圖4 No.0005器件的正偏條件下的噪聲功率譜曲線

圖5 No.0010器件正偏條件下的噪聲功率譜曲線

因此通過測出一整批器件的噪聲，我們可以通過統計，并根據經濟和可靠性指標，得到這些特征值的閾值.通過測量具體器件的噪聲，與這些閾值進行比較，即可以對器件進行可靠性篩選.

分別對一批好的太陽能電池和壞的器件進行測量.如圖4和5所示器件No.0005（合格）和No.0010（不合格）在正偏電壓V＝0.33V的噪聲功率譜密度.從圖4和5中可以看出，壞的太陽能電池的噪聲功率譜密度最大值比好的器件的最大功率譜密度值大兩個數量級.因此可知，通過測量太陽能電池的噪聲，可以很好地進行器件可靠性等級評估.

4 結論

噪聲測試一般是在平衡態附近測量的，對被測試器件幾乎不造成任何損傷，所以是無損的.電子器件的低頻噪聲不僅反映了器件由于各種應力引起的缺陷，而且反映了器件潛在的本征缺陷.

本文采用噪聲測量來對多晶硅太陽能電池進行可靠性篩選.介紹了噪聲測試系統的建立以及對噪聲測試方法的研究.通過實驗證明，對于晶硅太陽能電池，噪聲方法要比傳統的電參數檢測更加敏感，甚至在一些電參數尚未明顯變化時，噪聲參數已經變化了幾個數量級.更重要的是電子器件中潛在的本質缺陷用傳統的電參數檢測方法探測不到.

本文測量系統其主要功能是在軟件的控制下實現噪聲信號的采集和分析，該系統是基于虛擬儀器技術的一套完整的電子器件低頻噪聲測試分析儀器，具有傳統噪聲測試系統無法達到的一些功能.

［1］ 莊奕琪，孫青.電子器件可靠性的噪聲表征方法［J］.微電子技術，2000，28（2）：39-45.

［2］ JONES B K.Electrical noise as a reliability indicator in electronic devices and components［J］.IEE Proceedings-Circuits，Devices and Systems，2002，149：13-22.

［3］ VANDAMME L K J，PERICHAUD M G，NOGUERA E，et al.1／fnoise as a diagnostic tool to investigate the quality of isotropic conductive adhesive bonds［J］.Components and Packaging Technologies，IEEE Transactions on，1999，22：446-454.

［4］ CHEN X Y，PEDERSEN A，HELLES O G，et al.Electrical noise of laser diodes measured over a wide range of bias currents［J］.Microelectronics Reliability，2000，40：1925-1928.

［5］ 杜偉寧，趙晨光，王冕，等.基于LabVIEW 的虛擬頻譜分析儀設計［J］.吉林大學學報：理學版，2009，47（3）：548-552.

［6］ 魏勝非，陳彩云，許德玄.基于青海弧菌Q67的飲用水取水環境虛擬檢測儀器［J］.東北師大學報：自然科學版，2010，42（2）：143-146.

［7］ 徐建生，戴逸松，張新發.噪聲測試作為篩選光電耦合器件的一種方法［J］.光電子激光，1998，9：409-412.

［8］ VANDAMME L K J，ALABEDRA R，ZOMMITI M.1／fnoise as a reliability estimation for solar cells［J］.Solid-State Electronics，1983，26：671-674.

［9］ HU G，LI J，SHI Y，et al.The g-r noise in quantum well semiconductor lasers and its relation with device reliability［J］.Optics ＆ Laser Technology，2007，39：165-168.

［10］ HSU ST，R WHITTIER J.Characterization of burst noise in silicon devices［J］.Solid-State Electronics，1969，12：867-878.

Study on accurate noise measurement method for polycrystalline silicon solar cell based on LabVIEW

GAO Jian1，ZHOU Qiu-zhan1，DAI Hong-liang2，LIU Chao1，WU Dan-e1，LIU Ping－ping3，YU Li-li4

（1.College of Communication，Jilin University，Changchun 130025，China；
2.Center of Network，Jilin University，Changchun 130025，China；
3.College of Computer Science and Technology，Jilin University，Changchun 130012，China；
4.College of International，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

This paper presents a method of noise measurement and reliability screening of the polycrystalline silicon solar cell.Moreover，a noise measurement system is designed which can measure the noise of solar cells automatically.The experiment results show that it is a fast，accurate and nondestructive way to screen solar cells.

solar cell；noise measurement；reliability

TN 98

513·30

A

1000-1832（2011）03-0076-04

2011-03-11

國家自然科學基金資助項目（60906034）；黑龍江省教育廳科學技術研究項目（11551504）；吉林省自然科學基金資助項

目（201115029）.

高健（1986—），女，碩士研究生，主要從事半導體器件及太陽能電池噪聲與可靠性分析研究；通信作者：戴宏亮（1971—），男，工程師，主要從事計算機輔助研究.

石紹慶）