高 健，周求湛，戴宏亮，劉 超，吳丹娥，劉萍萍，于莉莉

（1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025；

2.吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林 長(zhǎng)春 130025；

3.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；

4.佳木斯大學(xué)國(guó)際學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

基于LabVIEW的多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲精確測(cè)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(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025；

2.吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林 長(zhǎng)春 130025；

3.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；

4.佳木斯大學(xué)國(guó)際學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

介紹了多晶硅太陽(yáng)能電池的噪聲測(cè)試方法，利用其噪聲進(jìn)行可靠性篩選，設(shè)計(jì)了一套完整的太陽(yáng)能噪聲測(cè)試系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量了太陽(yáng)能電池噪聲，詳細(xì)研究了多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試方法及過(guò)程.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，運(yùn)用噪聲測(cè)試可以快速、準(zhǔn)確、無(wú)損地對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行可靠性篩選.

太陽(yáng)能電池；噪聲測(cè)量；可靠性

太陽(yáng)能是干凈、無(wú)污染的能源，并且取之不盡用之不竭.太陽(yáng)能電池直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，是利用太陽(yáng)能資源最直接有效的方法之一.太陽(yáng)能電池的應(yīng)用日趨廣泛，特別是在人造衛(wèi)星的動(dòng)力供應(yīng)方面有著不可替代的作用.隨著應(yīng)用的推廣，對(duì)太陽(yáng)能電池及其組件的可靠性進(jìn)行高效且無(wú)損的測(cè)試引起了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注.大量研究表明，器件內(nèi)部的低頻噪聲是表征器件可靠性的敏感參數(shù)之一［1］，且噪聲測(cè)試作為一種快速、無(wú)損的測(cè)試方法，已被用于多種器件的可靠性估計(jì)［2－3］.自1990年以來(lái)，低頻噪聲已經(jīng)被用來(lái)估計(jì)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(jī)理及測(cè)試方法研究深入的展開，低頻噪聲的測(cè)量與分析正在成為半導(dǎo)體壽命預(yù)測(cè)及可靠性估計(jì)的一種新手段.此法具有快捷、簡(jiǎn)便和非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，從而引起研究人員的廣泛關(guān)注［4］.基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)也得到了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域研究者的廣泛應(yīng)用［5－6］.

但將噪聲用于多晶硅太陽(yáng)能電池的可靠性估計(jì)還存在若干未解決的關(guān)鍵性問(wèn)題.因此，本文主要介紹了多晶硅太陽(yáng)能電池的噪聲測(cè)試方法，進(jìn)而討論利用噪聲進(jìn)行可靠性篩選，最終構(gòu)建一套多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試系統(tǒng).

1 噪聲測(cè)量作為可靠性篩選的指標(biāo)

硅太陽(yáng)能電池是指具有大規(guī)模PN結(jié)的半導(dǎo)體器件.因此它的噪聲特性與半導(dǎo)體器件的噪聲特性相似.低頻噪聲可以用于半導(dǎo)體器件內(nèi)部缺陷的判斷，對(duì)其可靠性做出評(píng)估的依據(jù)是每個(gè)半導(dǎo)體器件都存在熱噪聲、散彈噪聲及1／f噪聲.但當(dāng)器件的Si—SiO2表面PN結(jié)及溝道內(nèi)部存在缺陷時(shí)，則實(shí)際噪聲將會(huì)顯著增加.為此將前者稱為基本噪聲，后者稱為過(guò)激噪聲［7］.這種過(guò)激噪聲的主要形式為1／f噪聲和產(chǎn)生－復(fù)合噪聲（G-R噪聲），嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)爆裂噪聲，在PN結(jié)臨近反向擊穿區(qū)附近還會(huì)出現(xiàn)白噪聲顯著增加現(xiàn)象.只要能測(cè)到半導(dǎo)體器件過(guò)激噪聲，則可判斷器件缺陷和可靠性.由此可見多晶硅太陽(yáng)能電池（組件）的質(zhì)量和可靠性估計(jì)，取決于對(duì)器件過(guò)激噪聲的測(cè)試和計(jì)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(dá)式如（1）式所示.所謂的比例隨機(jī)波動(dòng)的現(xiàn)象，是有源器件中載波密度的隨機(jī)波動(dòng)而產(chǎn)生的，它會(huì)對(duì)中心頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并在中心頻率上形成2個(gè)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(shè)備可靠性的重要指標(biāo)［7］.

其中：SR是噪聲功率譜密度；N是自由載流子的總數(shù)目；f是頻率；假設(shè)有N個(gè)電子沒有相關(guān)的噪聲源，參數(shù)α是電子相關(guān)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(lái)的結(jié)果表明，α主要是由晶格分布造成的.過(guò)激1／f噪聲是由器件表面或體內(nèi)缺陷引起的.1／f噪聲的大小與器件的質(zhì)量、可靠性有密切的關(guān)系，所以對(duì)器件1／f噪聲的測(cè)試具有十分重要的價(jià)值.

1.2 G-R噪聲

半導(dǎo)體材料或器件中存在著能夠發(fā)射或俘獲載流子的各種雜質(zhì)中心.這些雜質(zhì)中心對(duì)載流子的發(fā)射和俘獲是一種隨機(jī)事件，因此使占據(jù)其能級(jí)的載流子數(shù)目隨機(jī)漲落，引起體內(nèi)電位波動(dòng)，從而使通過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)部電流值產(chǎn)生波動(dòng)，稱為G-R噪聲［8］.可見器件G-R噪聲直接與半導(dǎo)體中的缺陷（雜質(zhì)、晶格位錯(cuò)）有關(guān)，通過(guò)對(duì)器件G-R噪聲測(cè)量，成為分析器件內(nèi)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(dá)式如式（2）所示.

其中：τ0＝1／ω0為特征時(shí)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(jī)脈沖構(gòu)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(dǎo)體器件比較嚴(yán)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(shù)Ab包含了缺陷信息.

爆裂噪聲本質(zhì)上屬于G-R噪聲，但缺陷較嚴(yán)重（結(jié)晶位錯(cuò)，重金屬雜質(zhì)凝聚等）.它主要出現(xiàn)在PN結(jié)區(qū)，不僅會(huì)影響器件的可靠性，同時(shí)也會(huì)妨礙器件的正常工作，特別是在數(shù)字電路中會(huì)引起誤觸發(fā)現(xiàn)象.所以從何種角度看，具有爆裂噪聲的器件均是應(yīng)該篩選掉的［10］.

2 多晶硅太陽(yáng)能電池低頻噪聲測(cè)試設(shè)計(jì)

本文測(cè)試系統(tǒng)是基于虛擬儀器進(jìn)行構(gòu)建的.NI公司提出“軟件即儀器”的虛擬儀器概念.LabVIEW也是美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（National Instruments）推出的圖形化編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去，特別是對(duì)于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣.因此在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)并應(yīng)用LabVIEW.基于LabVIEW的多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖

測(cè)試系統(tǒng)主要包含測(cè)試偏置電路、低噪聲放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上位機(jī)程序4個(gè)部分.需要說(shuō)明的是，因?yàn)樵肼暅y(cè)試需要嚴(yán)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(duì)測(cè)試的影響，采用了雙通道放大器，上位機(jī)采用互譜算法，能夠有效消除放大器本底噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

圖2為太陽(yáng)能電池測(cè)試偏置電路.因?yàn)樘?yáng)能電池的噪聲本身是一個(gè)不可以測(cè)量的量，所以通過(guò)把電池產(chǎn)生的噪聲折射到電阻上，這樣通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓，即可反應(yīng)器件的噪聲.圖3為測(cè)試系統(tǒng)界面圖.

圖2 多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試偏置電路

3 多晶硅太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試方法研究

圖3 測(cè)試系統(tǒng)界面圖

分別測(cè)量多晶硅太陽(yáng)能電池正偏條件下的輸出噪聲功率譜.因?yàn)闇y(cè)的是負(fù)載電阻Rs兩端的電壓，含有直流分量，因此需要加一個(gè)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(guò)雙通道放大器進(jìn)行放大，得到兩路互不相關(guān)的信號(hào)，輸入到上位機(jī)進(jìn)行FFT變換，得到其功率譜.測(cè)量過(guò)程中通過(guò)提取某些特殊頻點(diǎn)的噪聲功率譜值，比如1Hz，10Hz，1kHz與1Hz的噪聲值的比值.通過(guò)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(guò)時(shí)域波形觀察得到，凡是具有爆裂噪聲的器件，肯定是缺陷嚴(yán)重的器件，應(yīng)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(guò)測(cè)出一整批器件的噪聲，我們可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)和可靠性指標(biāo)，得到這些特征值的閾值.通過(guò)測(cè)量具體器件的噪聲，與這些閾值進(jìn)行比較，即可以對(duì)器件進(jìn)行可靠性篩選.

分別對(duì)一批好的太陽(yáng)能電池和壞的器件進(jìn)行測(cè)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(yáng)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(gè)數(shù)量級(jí).因此可知，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池的噪聲，可以很好地進(jìn)行器件可靠性等級(jí)評(píng)估.

4 結(jié)論

噪聲測(cè)試一般是在平衡態(tài)附近測(cè)量的，對(duì)被測(cè)試器件幾乎不造成任何損傷，所以是無(wú)損的.電子器件的低頻噪聲不僅反映了器件由于各種應(yīng)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(cè)量來(lái)對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行可靠性篩選.介紹了噪聲測(cè)試系統(tǒng)的建立以及對(duì)噪聲測(cè)試方法的研究.通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于晶硅太陽(yáng)能電池，噪聲方法要比傳統(tǒng)的電參數(shù)檢測(cè)更加敏感，甚至在一些電參數(shù)尚未明顯變化時(shí)，噪聲參數(shù)已經(jīng)變化了幾個(gè)數(shù)量級(jí).更重要的是電子器件中潛在的本質(zhì)缺陷用傳統(tǒng)的電參數(shù)檢測(cè)方法探測(cè)不到.

本文測(cè)量系統(tǒng)其主要功能是在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的采集和分析，該系統(tǒng)是基于虛擬儀器技術(shù)的一套完整的電子器件低頻噪聲測(cè)試分析儀器，具有傳統(tǒng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的一些功能.

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60906034）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（11551504）；吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)

目（201115029）.

高?。?986—），女，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體器件及太陽(yáng)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(jì)算機(jī)輔助研究.

石紹慶）