王一舒，陸小龍，王文武

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

薄膜太陽電池器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王一舒1，陸小龍2a，王文武2b

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

為了實(shí)現(xiàn)變溫環(huán)境下薄膜太陽電池電學(xué)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(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)和Keithley 2401數(shù)字源表、智能溫控儀(SRS13A, SRS14A)組成的主從式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)薄膜太陽電池器件的電學(xué)性能測試。通過RS-485總線完成智能溫控儀與上位機(jī)間數(shù)據(jù)通信，達(dá)到對測試環(huán)境和樣品溫度的智能控制。采用GPIB總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與Keithly 2401數(shù)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(shù)值?；贚abVIEW開發(fā)環(huán)境編寫的上位機(jī)軟件被用于完成數(shù)據(jù)處理，T—R，T—I—U特征曲線的繪制和顯示。為了驗(yàn)證該測試系統(tǒng)的性能，對化合物半導(dǎo)體(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太陽電池器件的電學(xué)性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠完成變溫環(huán)境下薄膜太陽電池器件電學(xué)性能的測試，并且該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作簡便，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和科研的需要。

薄膜太陽電池； 電學(xué)性能； 測試系統(tǒng)

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，太陽能的開發(fā)和利用已經(jīng)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(yīng)將光能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率，長期主導(dǎo)著光伏市場，但成本較高。相反，薄膜電池雖然光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率上突破性的進(jìn)展，吸引了投資者更多的關(guān)注，處于高速發(fā)展期[5]。

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

為了滿足實(shí)驗(yàn)室目前科研和教學(xué)的需要，降低科研成本，提高薄膜太陽電池的測試效率，擴(kuò)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(shù)字源表和工控機(jī)構(gòu)成的主從式測控系統(tǒng)，在真空、高低溫、變溫環(huán)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(tǒng)總體方案

1.1測試原理

四探針法是材料學(xué)及半導(dǎo)體行業(yè)電學(xué)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(jù)測試對象的結(jié)構(gòu)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(jìn)四探針法四類。本文選用適用于微區(qū)測量的方形四探針法，完成薄膜太陽電池電學(xué)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(gè)正方形4個(gè)頂點(diǎn)，給其中兩探針通電流，測量另外2個(gè)探針的電壓。當(dāng)給探針3，4通電流時(shí)，依據(jù)下式計(jì)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(tǒng)總體方案

根據(jù)目前科研與教學(xué)中對薄膜太陽電池電學(xué)性能測試的要求，認(rèn)為該測試系統(tǒng)應(yīng)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(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)軟件需采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展。為此，本文提出如圖2所示設(shè)計(jì)方案。該測試系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)箱、控溫裝置和測控系統(tǒng)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(tǒng)總體方案

(1) 實(shí)驗(yàn)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(lián)結(jié)而成。腔體上蓋中部開設(shè)有圓形石英玻璃觀察窗。腔體側(cè)壁則開設(shè)有用于溫度傳感器、加熱器、測試探針等器件與控制系統(tǒng)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(jī)構(gòu)，6-樣品臺
圖3 實(shí)驗(yàn)箱裝配圖

樣品臺呈圓柱狀，采用導(dǎo)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(nèi)部。4個(gè)結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)三軸探針夾持裝置，驅(qū)動探針沿X、Y、Z3個(gè)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(shí)現(xiàn)測試環(huán)境溫度的自適應(yīng)控制。制冷采用液氮降溫，加熱采用200 W加熱器實(shí)現(xiàn)，選用K型熱電偶完成環(huán)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(tǒng)。采用由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成的主從式控制方案。由Keithly2401，SRS13A，SRS14A組成的下位機(jī)完成測試環(huán)境的溫度控制和樣品電學(xué)性能測試，上位機(jī)負(fù)責(zé)測試參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件部分

如圖4所示，控制系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC、高精度可編程低壓數(shù)字源表Keithly2401、內(nèi)置無超調(diào)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(zhuǎn)換模塊組成。

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖

SRS13A和SRS14A以及Keithley 2401構(gòu)成下位機(jī)，負(fù)責(zé)測試環(huán)境的溫度控制和樣品電學(xué)性能測試。SRS13A借助繼電器實(shí)現(xiàn)對加熱器的自動控制。上位機(jī)與Keithley 2401通過研華LPCI-3488A GPIB卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。SRS13A和SRS14A則借助RS-485-USB轉(zhuǎn)換模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互任務(wù)，如參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)顯示，以及報(bào)表生成。

2.2軟件部分

根據(jù)項(xiàng)目要求，提出了如圖5所示的系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)方案。程序采用圖形化編程語言LabVIEW 2014開發(fā)，主要包括：測試控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。

測試控制模塊通過向SRS13A、SRS14A發(fā)送指令，完成測試環(huán)境溫度控制，并讀取樣品溫度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度；同時(shí)，通過發(fā)送SCPI指令對Keithley 2401進(jìn)行測試功能的配置，以及讀取相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)將按照圖6所示測試流程進(jìn)行薄膜太陽電池T—R和T—I—U特征曲線測試，并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、顯示和保存。

圖5 控制系統(tǒng)軟件框圖

圖6 軟件控制流程圖

3 通信模塊程序設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與二次儀表構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。上位機(jī)與下位機(jī)的通信是該類控制系統(tǒng)的難點(diǎn)[10-12]。在薄膜太陽電池器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)中Keithley 2401與上位機(jī)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(jī)的可靠通信是該測試系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.1GPIB通信實(shí)現(xiàn)

GPIB總線接口(即IEEE-488標(biāo)準(zhǔn))因具有使用靈活、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被眾多儀器廠商所廣泛接受和采用，已成為當(dāng)今在計(jì)算機(jī)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(diào)用原始API驅(qū)動函數(shù)或使用基于虛擬儀器軟件架構(gòu)(Visual Instrumentation Software architecture, VISA)的儀器驅(qū)動[13]。

(1) 調(diào)用原始API驅(qū)動函數(shù)。NI公司基于IEEE-488.2-1987標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)用程序開發(fā)者提供了免費(fèi)的GPIB-32.dll程序庫。用戶無需了解GPIB總線的底層協(xié)議，只需熟悉GPIB-32.dll中的基本命令函數(shù)，以及測試儀器所支持的程控指令，就可以通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)各GPIB儀器之間的相互通信。該方法使用靈活，方便用戶實(shí)現(xiàn)GPIB儀器的一些復(fù)雜操作。

(2) 使用基于VISA架構(gòu)的儀器驅(qū)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(qū)動(即Keithley 24XX Instrument Driver)。用戶在LabVIEW環(huán)境下，依照儀器使用手冊編寫相應(yīng)程序便可實(shí)現(xiàn)對Keithley 2400系列數(shù)字源表的程控[14]。與調(diào)用GPIB-32.dll函數(shù)庫相比，該方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

在變溫四探針測試儀控制系統(tǒng)中，通過調(diào)用相應(yīng)函數(shù)VI(見圖7)，便可實(shí)現(xiàn)對Keithley 2401 源表的各種操作。

圖7 Keithley 24XX儀器驅(qū)動函數(shù)模塊

3.2RS-485通信實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串行通信的方式主要是利用VISA函數(shù)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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或串口的Modbus通信，并提供主控和伺服功能[15]。與使用VISA函數(shù)和ActiveX控件相比，使用該程序庫實(shí)現(xiàn)Modbus通信更方便。

在薄膜太陽電池器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)中，IPC與智能溫控儀間采用Modbus_RTU通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)，便可實(shí)現(xiàn)對寄存器的讀寫操作，從而達(dá)到對智能溫控儀的控制。

圖8 SRS13A、14A寄存器讀寫函數(shù)模塊

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證薄膜太陽電池器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，分別對化合物半導(dǎo)體(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太陽電池器件進(jìn)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(dǎo)體薄膜的T—R特征曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以得到其電導(dǎo)率-溫度關(guān)系曲線(見圖9)。該關(guān)系曲線主要用來研究薄膜電池電學(xué)性能中的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。通過其可以計(jì)算出材料的電導(dǎo)激活能，結(jié)合其他表征可進(jìn)一步獲得材料的費(fèi)米能級等信息。

圖9 ZnTe:Cu薄膜的電導(dǎo)率—溫度關(guān)系曲線

圖10所示是利用本系統(tǒng)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(jié)區(qū)或各膜層之間的界面信息。結(jié)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(jié)構(gòu)、制備工藝等相關(guān)性，以及器件的物理機(jī)制的分析。

圖10 CdTe薄膜太陽電池器件的暗態(tài)T—I—U曲線

此外,在薄膜太陽電池器件電學(xué)性能測試系統(tǒng)中，Keithley 2401高精度低壓數(shù)字源表主要負(fù)責(zé)樣品電學(xué)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(tǒng)的測試精度滿足科研和教學(xué)的要求。

5 結(jié) 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(shí)現(xiàn)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(xué)性能測試系統(tǒng)。系統(tǒng)自投入使用以來，性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定,能夠滿足實(shí)驗(yàn)室教學(xué)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(xiàn)主要從事自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。Tel.：18010687039; E-mail: elvawang18@163.com