薄膜太陽電池器件電學性能測試系統設計

王一舒，陸小龍，王文武

(1.四川大學 錦城學院； 2.四川大學 a.制造科學與工程學院； b.材料科學與工程學院，成都 610065)

薄膜太陽電池器件電學性能測試系統設計

王一舒1，陸小龍2a，王文武2b

(1.四川大學 錦城學院； 2.四川大學 a.制造科學與工程學院； b.材料科學與工程學院，成都 610065)

為了實現變溫環境下薄膜太陽電池電學性能的自動測試，提出了基于方形四探針法測試原理，采用由工業計算機(IPC)和Keithley 2401數字源表、智能溫控儀(SRS13A, SRS14A)組成的主從式控制系統，實現薄膜太陽電池器件的電學性能測試。通過RS-485總線完成智能溫控儀與上位機間數據通信，達到對測試環境和樣品溫度的智能控制。采用GPIB總線實現上位機與Keithly 2401數字源表間的信息交換，獲取待測樣品的電壓、電流、電阻等參數值。基于LabVIEW開發環境編寫的上位機軟件被用于完成數據處理，T—R，T—I—U特征曲線的繪制和顯示。為了驗證該測試系統的性能，對化合物半導體(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太陽電池器件的電學性能進行了測試。結果表明，該系統能夠完成變溫環境下薄膜太陽電池器件電學性能的測試，并且該系統運行可靠、操作簡便，能夠滿足實驗室教學和科研的需要。

薄膜太陽電池； 電學性能； 測試系統

0 引 言

隨著能源危機和環境污染問題的日益嚴峻，太陽能的開發和利用已經受到世界各國高度重視[1-2]。太陽電池是一種利用光生伏特效應將光能轉化為電能的器件，主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩大類[3-4]。晶體硅電池因其具有較高的光電轉化效率，長期主導著光伏市場，但成本較高。相反，薄膜電池雖然光電轉化效率較低，壽命較短，但相對低廉的制造成本，以及近年在原有轉化效率上突破性的進展，吸引了投資者更多的關注，處于高速發展期[5]。

電學性能是半導體材料區別金屬材料和絕緣材料的主要特征，并且與溫度密切相關。測量電池的T—R、T—I—U特征曲線是研究薄膜電池電學性能的主要方法。通過對測試數據的分析處理，不斷改進生產條件和工藝參數，是提高電池光電轉化效率，降低成本的主要途徑。然而,國內對太陽能電池測試設備的研發相對滯后，不得不從國外進口昂貴的成套測試設備[6]。

為了滿足實驗室目前科研和教學的需要，降低科研成本，提高薄膜太陽電池的測試效率，擴大儀器適用范圍，本文提出基于矩形四探針法測試原理，采用Keithley 2401數字源表和工控機構成的主從式測控系統，在真空、高低溫、變溫環境下完成對薄膜太陽電池T—R、T—I—U特征曲線測量。

1 測試系統總體方案

1.1測試原理

四探針法是材料學及半導體行業電學表征較常用的方法，其原理簡單，能夠消除電阻影響，具有較高的測試精度[7-9]。根據測試對象的結構要求不同，可分為直線四探針法、方形四探針法、范德堡法，以及改進四探針法四類。本文選用適用于微區測量的方形四探針法，完成薄膜太陽電池電學性能的測試。如圖1所示，方形四探針法將4根探針放置在1個正方形4個頂點，給其中兩探針通電流，測量另外2個探針的電壓。當給探針3，4通電流時，依據下式計算出樣品的電阻：

式中：RS為測試電阻；I為給探針3，4施加的電流。通過記錄不同溫度下的電阻值，完成對樣品的T—R，T—I—U特征曲線測量。

1.2系統總體方案

根據目前科研與教學中對薄膜太陽電池電學性能測試的要求，認為該測試系統應具備：控溫范圍在-100～200 ℃ ；能夠在高低溫、變溫、恒溫，真空條件下完成樣品T—R，T—I—U特征曲線測量，并以圖形和表格的方式實時顯示測試數據；系統軟件需采用模塊化設計，便于擴展。為此，本文提出如圖2所示設計方案。該測試系統主要由實驗箱、控溫裝置和測控系統3部分組成。

圖1 方形四探針測試原理示意圖

圖2 測試系統總體方案

(1) 實驗箱。主要由真空腔體、樣品臺和三軸探針夾持裝置組成(見圖3)。其中真空腔體采用不銹鋼材料加工，由腔體上蓋和腔體通過鉸鏈聯結而成。腔體上蓋中部開設有圓形石英玻璃觀察窗。腔體側壁則開設有用于溫度傳感器、加熱器、測試探針等器件與控制系統連接的接線端，以及用于連接真空泵、液氮儲藏罐的管線接頭。

1-真空腔體上蓋，2-觀察窗，3-真空腔體基座，4-探針，5-三軸探針夾持機構，6-樣品臺
圖3 實驗箱裝配圖

樣品臺呈圓柱狀，采用導熱率較高的銅合金制備，固定在真空腔體中間位置；加熱器、溫度傳感器置于其內部。4個結構相同的三軸探針夾持裝置均勻分布在樣品臺四周，測試探針固定在三軸探針夾持裝置上，被測薄膜電池放置于樣品臺頂部。通過手動調節三軸探針夾持裝置，驅動探針沿X、Y、Z3個方向移動，從而選擇合適測量位置。

(2) 控溫裝置。選用日本島電提供的SRS10A系列智能溫控儀,實現測試環境溫度的自適應控制。制冷采用液氮降溫，加熱采用200 W加熱器實現，選用K型熱電偶完成環境溫度和樣品溫度的測試。為了降低成本，采用手動方式控制真空泵的啟停和液氮的輸入。

(3) 測控系統。采用由上位機和下位機構成的主從式控制方案。由Keithly2401，SRS13A，SRS14A組成的下位機完成測試環境的溫度控制和樣品電學性能測試，上位機負責測試參數設置、狀態監測和數據處理。

2 控制系統設計

2.1硬件部分

如圖4所示，控制系統主要由工業控制計算機IPC、高精度可編程低壓數字源表Keithly2401、內置無超調專家PID算法的智能溫控儀SRS13A和SRS14A，以及研華LPCI-3488A GPIB卡和RS-485-USB轉換模塊組成。

圖4 控制系統硬件框圖

SRS13A和SRS14A以及Keithley 2401構成下位機，負責測試環境的溫度控制和樣品電學性能測試。SRS13A借助繼電器實現對加熱器的自動控制。上位機與Keithley 2401通過研華LPCI-3488A GPIB卡實現數據交換。SRS13A和SRS14A則借助RS-485-USB轉換模塊與上位機實現串口通信。上位機主要負責完成人機交互任務，如參數設置、狀態監控，數據顯示，以及報表生成。

2.2軟件部分

根據項目要求，提出了如圖5所示的系統軟件總體設計方案。程序采用圖形化編程語言LabVIEW 2014開發，主要包括：測試控制模塊、數據處理模塊和通信模塊。

測試控制模塊通過向SRS13A、SRS14A發送指令，完成測試環境溫度控制，并讀取樣品溫度和實驗環境溫度；同時，通過發送SCPI指令對Keithley 2401進行測試功能的配置，以及讀取相應的測試數據。測試系統將按照圖6所示測試流程進行薄膜太陽電池T—R和T—I—U特征曲線測試，并完成相應的數據處理、顯示和保存。

圖5 控制系統軟件框圖

圖6 軟件控制流程圖

3 通信模塊程序設計

在現代控制系統中，由工業控制計算機與二次儀表構成的分布式控制系統獲得了廣泛的應用。上位機與下位機的通信是該類控制系統的難點[10-12]。在薄膜太陽電池器件電學性能測試系統中Keithley 2401與上位機間采用GPIB通信，兩臺智能溫控儀SRS13A、SRS14A則采用RS-485串口通信。因此，能否保證二次儀表與上位機的可靠通信是該測試系統的關鍵。

3.1GPIB通信實現

GPIB總線接口(即IEEE-488標準)因具有使用靈活、高效、經濟等優點，被眾多儀器廠商所廣泛接受和采用，已成為當今在計算機和測試測量儀器連接中使用最多的總線接口。通常使用兩種方式來控制GPIB接口：調用原始API驅動函數或使用基于虛擬儀器軟件架構(Visual Instrumentation Software architecture, VISA)的儀器驅動[13]。

(1) 調用原始API驅動函數。NI公司基于IEEE-488.2-1987標準為應用程序開發者提供了免費的GPIB-32.dll程序庫。用戶無需了解GPIB總線的底層協議，只需熟悉GPIB-32.dll中的基本命令函數，以及測試儀器所支持的程控指令，就可以通過編寫代碼實現各GPIB儀器之間的相互通信。該方法使用靈活，方便用戶實現GPIB儀器的一些復雜操作。

(2) 使用基于VISA架構的儀器驅動。為了方便用戶程控儀器，Keithley公司提供了基于NI-VISA庫編寫的儀器驅動(即Keithley 24XX Instrument Driver)。用戶在LabVIEW環境下，依照儀器使用手冊編寫相應程序便可實現對Keithley 2400系列數字源表的程控[14]。與調用GPIB-32.dll函數庫相比，該方法簡單，易于實現。

在變溫四探針測試儀控制系統中，通過調用相應函數VI(見圖7)，便可實現對Keithley 2401 源表的各種操作。

圖7 Keithley 24XX儀器驅動函數模塊

3.2RS-485通信實現

在LabVIEW中實現串行通信的方式主要是利用VISA函數模塊或使用ActiveX控件。對于RS-485串口通信，NI公司還提供了一套免費的基于VISA的ModBus程序庫(即Modbus Library1.2.1)。該程序庫可以用于各類標準以太網或串口的Modbus通信，并提供主控和伺服功能[15]。與使用VISA函數和ActiveX控件相比，使用該程序庫實現Modbus通信更方便。

在薄膜太陽電池器件電學性能測試系統中，IPC與智能溫控儀間采用Modbus_RTU通信協議進行數據通信。如圖8所示，通過配置ModBus程序庫中的MB Serial Master Query Read Holding Registers.VI的參數，便可實現對寄存器的讀寫操作，從而達到對智能溫控儀的控制。

圖8 SRS13A、14A寄存器讀寫函數模塊

4 實驗結果

為了驗證薄膜太陽電池器件電學性能測試系統的各項性能，分別對化合物半導體(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太陽電池器件進行了測試，獲得了樣品的T—R和T—I—U特征曲線。

通過對ZnTe:Cu半導體薄膜的T—R特征曲線進行數據處理可以得到其電導率-溫度關系曲線(見圖9)。該關系曲線主要用來研究薄膜電池電學性能中的電導率與溫度的關系。通過其可以計算出材料的電導激活能，結合其他表征可進一步獲得材料的費米能級等信息。

圖9 ZnTe:Cu薄膜的電導率—溫度關系曲線

圖10所示是利用本系統獲得的CdTe薄膜太陽電池器件的T—I—U特征曲線。該特征曲線包含了電池結區或各膜層之間的界面信息。結合其他表征方法可以用于對薄膜太陽電池器件性能與電池結構、制備工藝等相關性，以及器件的物理機制的分析。

圖10 CdTe薄膜太陽電池器件的暗態T—I—U曲線

此外,在薄膜太陽電池器件電學性能測試系統中，Keithley 2401高精度低壓數字源表主要負責樣品電學性能測試。其具備1 pA/100 nV的測試分辨率，從而確保了本系統的測試精度滿足科研和教學的要求。

5 結 語

文中基于LabVIEW軟件平臺，采用高精度可編程低壓源表Keithly 2401 和智能溫控儀SRS13A、SRS14A研制了一臺能夠在真空、高低溫、變溫條件下實現薄膜太陽電池T—R，T—I—U特征曲線測量的薄膜太陽電池器件電學性能測試系統。系統自投入使用以來，性能可靠，運行穩定,能夠滿足實驗室教學和科研的需要。

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DesignofTestSystemforElectricalPerformanceofThinFilmSolarCells

WANGYishu1，LUXiaolong2a,WANGWenwu2b

(1.College of Jincheng Sichuan University; 2a.School of Manufacturing Science and Engineering; 2b.School of Material Science and Engineering, Sichuan University，Chengdu 610065, China)

In order to realize the automatic testing of the electrical properties of thin film solar cells under the changing temperature environment, a test system was proposed based on square four-probe principle.The system is mainly composed of an industrial personal computer (IPC), a digital source meter (Keithley 2401) and two intelligent temperature controllers (SRS13A and SRS14A).The SRS13A and SRS14A are used to control the test temperature and to monitor the real-time temperature of sample and environment.And the RS-485 serial communication protocol is employed to realize the communication between IPC and intelligent temperature controller.Moreover, the Keithley 2401 is used to measure the voltage, current, and resistance of the sample.And the data exchange between IPC and Keithley 2401 is realized via GPIB.The software system developed with LabVIEW is responsible for the drawing ofT-RandT-I-Ucharacteristic curve.Finally, in order to verify the performance of the system, the electrical properties testing of a CdTe thin film solar cell and a compound semiconductor (ZnTe:Cu) thin film were performed.The results show that the test system can be used to measure the electrical properties of thin film solar cells under variable temperature environment.And the test system is reliable and easy to operate, which can meet the requirement of teaching and research.

thin film solar cells; electrical properties; test system

TP 273

A

1006-7167(2017)10-0091-05

2017-01-20

王一舒(1983-), 女,布依族, 貴州安龍人, 講師, 現主要從事自動化系統設計及應用研究。Tel.：18010687039; E-mail: elvawang18@163.com