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 長春 130025；

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

3.吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012；

4.佳木斯大學(xué)國際學(xué)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(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長春 130025；

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

3.吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012；

4.佳木斯大學(xué)國際學(xué)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(shè)計了一套完整的太陽能噪聲測試系統(tǒng)，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(jié)果證明，運用噪聲測試可以快速、準(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)用日趨廣泛，特別是在人造衛(wèi)星的動力供應(yīng)方面有著不可替代的作用.隨著應(yīng)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(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(jīng)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(dǎo)體壽命預(yù)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(yōu)點，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)也得到了測試測量領(lǐng)域研究者的廣泛應(yīng)用［5－6］.

但將噪聲用于多晶硅太陽能電池的可靠性估計還存在若干未解決的關(guān)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(gòu)建一套多晶硅太陽能電池噪聲測試系統(tǒng).

1 噪聲測量作為可靠性篩選的指標(biāo)

硅太陽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，對其可靠性做出評估的依據(jù)是每個半導(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，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(chǎn)生－復(fù)合噪聲（G-R噪聲），嚴(yán)重時會出現(xiàn)爆裂噪聲，在PN結(jié)臨近反向擊穿區(qū)附近還會出現(xiàn)白噪聲顯著增加現(xiàn)象.只要能測到半導(dǎo)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(zhì)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(xiàn)象，是有源器件中載波密度的隨機波動而產(chǎn)生的，它會對中心頻率信號進行調(diào)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(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.近年來的結(jié)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(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(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)中心對載流子的發(fā)射和俘獲是一種隨機事件，因此使占據(jù)其能級的載流子數(shù)目隨機漲落，引起體內(nèi)電位波動，從而使通過半導(dǎo)體內(nèi)部電流值產(chǎn)生波動，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）有關(guān)，通過對器件G-R噪聲測量，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(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，重金屬雜質(zhì)凝聚等）.它主要出現(xiàn)在PN結(jié)區(qū)，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(shù)字電路中會引起誤觸發(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 多晶硅太陽能電池低頻噪聲測試設(shè)計

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

圖1 多晶硅太陽能電池噪聲測試系統(tǒng)框圖

測試系統(tǒng)主要包含測試偏置電路、低噪聲放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)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(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(jié)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(chǎn)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(yīng)器件的噪聲.圖3為測試系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)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(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

因此通過測出一整批器件的噪聲，我們可以通過統(tǒng)計，并根據(jù)經(jīng)濟和可靠性指標(biāo)，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(shù)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(jié)論

噪聲測試一般是在平衡態(tài)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(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(tǒng)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(tǒng)的電參數(shù)檢測更加敏感，甚至在一些電參數(shù)尚未明顯變化時，噪聲參數(shù)已經(jīng)變化了幾個數(shù)量級.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)檢測方法探測不到.

本文測量系統(tǒng)其主要功能是在軟件的控制下實現(xiàn)噪聲信號的采集和分析，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試分析儀器，具有傳統(tǒng)噪聲測試系統(tǒng)無法達到的一些功能.

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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

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

目（201115029）.

高?。?986—），女，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)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）