基于LabVIEW的多晶硅太阳能电池噪声精确测试方法

高 健，周求湛，戴宏亮，刘 超，吴丹娥，刘萍萍，于莉莉

（1.吉林大学通信工程学院，吉林 长春 130025；

2.吉林大学网络中心，吉林 长春 130025；

3.吉林大学计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；

4.佳木斯大学国际学院，黑龙江 佳木斯 154007）

基于LabVIEW的多晶硅太阳能电池噪声精确测试方法

高 健1，周求湛1，戴宏亮2，刘 超1，吴丹娥1，刘萍萍3，于莉莉4

（1.吉林大学通信工程学院，吉林 长春 130025；

2.吉林大学网络中心，吉林 长春 130025；

3.吉林大学计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；

4.佳木斯大学国际学院，黑龙江 佳木斯 154007）

介绍了多晶硅太阳能电池的噪声测试方法，利用其噪声进行可靠性筛选，设计了一套完整的太阳能噪声测试系统，自动测量了太阳能电池噪声，详细研究了多晶硅太阳能电池噪声测试方法及过程.实验结果证明，运用噪声测试可以快速、准确、无损地对多晶硅太阳能电池进行可靠性筛选.

太阳能电池；噪声测量；可靠性

太阳能是干净、无污染的能源，并且取之不尽用之不竭.太阳能电池直接将太阳能转换成电能，是利用太阳能资源最直接有效的方法之一.太阳能电池的应用日趋广泛，特别是在人造卫星的动力供应方面有着不可替代的作用.随着应用的推广，对太阳能电池及其组件的可靠性进行高效且无损的测试引起了国内外的高度关注.大量研究表明，器件内部的低频噪声是表征器件可靠性的敏感参数之一［1］，且噪声测试作为一种快速、无损的测试方法，已被用于多种器件的可靠性估计［2－3］.自1990年以来，低频噪声已经被用来估计单极／双极晶体管、集成放大器件、光电耦合器件、金属膜电阻和其他组件的可靠性.随着低频噪声机理及测试方法研究深入的展开，低频噪声的测量与分析正在成为半导体寿命预测及可靠性估计的一种新手段.此法具有快捷、简便和非破坏性等优点，从而引起研究人员的广泛关注［4］.基于LabVIEW的虚拟仪器技术也得到了测试测量领域研究者的广泛应用［5－6］.

但将噪声用于多晶硅太阳能电池的可靠性估计还存在若干未解决的关键性问题.因此，本文主要介绍了多晶硅太阳能电池的噪声测试方法，进而讨论利用噪声进行可靠性筛选，最终构建一套多晶硅太阳能电池噪声测试系统.

1 噪声测量作为可靠性筛选的指标

硅太阳能电池是指具有大规模PN结的半导体器件.因此它的噪声特性与半导体器件的噪声特性相似.低频噪声可以用于半导体器件内部缺陷的判断，对其可靠性做出评估的依据是每个半导体器件都存在热噪声、散弹噪声及1／f噪声.但当器件的Si—SiO2表面PN结及沟道内部存在缺陷时，则实际噪声将会显著增加.为此将前者称为基本噪声，后者称为过激噪声［7］.这种过激噪声的主要形式为1／f噪声和产生－复合噪声（G-R噪声），严重时会出现爆裂噪声，在PN结临近反向击穿区附近还会出现白噪声显著增加现象.只要能测到半导体器件过激噪声，则可判断器件缺陷和可靠性.由此可见多晶硅太阳能电池（组件）的质量和可靠性估计，取决于对器件过激噪声的测试和计算.

1.1 1／f噪声

1／f噪声即闪烁噪声，它是1925年由约翰逊最早在电子管中观察到的，是一种低频率噪声的主要成分.1／f噪声的功率谱与其频率成反比，其功率谱表达式如（1）式所示.所谓的比例随机波动的现象，是有源器件中载波密度的随机波动而产生的，它会对中心频率信号进行调制，并在中心频率上形成2个边带，降低了振荡器的Q值.由于1／f噪声是在中心频率附近的主要噪声，因此1／f噪声是设备可靠性的重要指标［7］.

其中：SR是噪声功率谱密度；N是自由载流子的总数目；f是频率；假设有N个电子没有相关的噪声源，参数α是电子相关的噪声在1Hz的值.α值介于10－6～10－3，取决于电子的分布和晶格类型的不同水平.近年来的结果表明，α主要是由晶格分布造成的.过激1／f噪声是由器件表面或体内缺陷引起的.1／f噪声的大小与器件的质量、可靠性有密切的关系，所以对器件1／f噪声的测试具有十分重要的价值.

1.2 G-R噪声

半导体材料或器件中存在着能够发射或俘获载流子的各种杂质中心.这些杂质中心对载流子的发射和俘获是一种随机事件，因此使占据其能级的载流子数目随机涨落，引起体内电位波动，从而使通过半导体内部电流值产生波动，称为G-R噪声［8］.可见器件G-R噪声直接与半导体中的缺陷（杂质、晶格位错）有关，通过对器件G-R噪声测量，成为分析器件内在缺陷及可靠性筛选的有效方法.

G-R噪声的频谱为洛伦兹谱，表达式如式（2）所示.

其中：τ0＝1／ω0为特征时间，ω0是特征频率；ω＝2πf.

1.3 爆裂噪声

爆裂噪声（Burst Noise）是由一系列宽度不同而幅度相近的随机脉冲构成的.其脉冲幅度通常是高于其他类型的噪声.爆裂噪声是由半导体器件比较严重的缺陷引起的［9］.其噪声频谱可以表示为其中：Ab为缺陷的种类；τb定义为1／τb＝1／τ1＋1／τ2，它和参数Ab包含了缺陷信息.

爆裂噪声本质上属于G-R噪声，但缺陷较严重（结晶位错，重金属杂质凝聚等）.它主要出现在PN结区，不仅会影响器件的可靠性，同时也会妨碍器件的正常工作，特别是在数字电路中会引起误触发现象.所以从何种角度看，具有爆裂噪声的器件均是应该筛选掉的［10］.

2 多晶硅太阳能电池低频噪声测试设计

本文测试系统是基于虚拟仪器进行构建的.NI公司提出“软件即仪器”的虚拟仪器概念.LabVIEW也是美国国家仪器公司NI（National Instruments）推出的图形化编程语言——G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去，特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样.因此在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW.基于LabVIEW的多晶硅太阳能电池噪声测试系统框图如图1所示.

图1 多晶硅太阳能电池噪声测试系统框图

测试系统主要包含测试偏置电路、低噪声放大器、数据采集设备和上位机程序4个部分.需要说明的是，因为噪声测试需要严格抑制外界干扰，所以采用了双层屏蔽盒.为了减少放大器本底噪声对测试的影响，采用了双通道放大器，上位机采用互谱算法，能够有效消除放大器本底噪声对测量结果的影响.

图2为太阳能电池测试偏置电路.因为太阳能电池的噪声本身是一个不可以测量的量，所以通过把电池产生的噪声折射到电阻上，这样通过测量电阻两端的电压，即可反应器件的噪声.图3为测试系统界面图.

图2 多晶硅太阳能电池噪声测试偏置电路

3 多晶硅太阳能电池噪声测试方法研究

图3 测试系统界面图

分别测量多晶硅太阳能电池正偏条件下的输出噪声功率谱.因为测的是负载电阻Rs两端的电压，含有直流分量，因此需要加一个隔直电容滤除直流分量，这样得到的即是交流的噪声分量，通过双通道放大器进行放大，得到两路互不相关的信号，输入到上位机进行FFT变换，得到其功率谱.测量过程中通过提取某些特殊频点的噪声功率谱值，比如1Hz，10Hz，1kHz与1Hz的噪声值的比值.通过分析，我们可知，可以用1Hz处的噪声值大小代表1／f噪声的大小，可以用10Hz和1Hz的噪声比值判断G-R噪声的大小.至于爆裂噪声，我们可以通过时域波形观察得到，凡是具有爆裂噪声的器件，肯定是缺陷严重的器件，应筛除掉.

图4 No.0005器件的正偏条件下的噪声功率谱曲线

图5 No.0010器件正偏条件下的噪声功率谱曲线

因此通过测出一整批器件的噪声，我们可以通过统计，并根据经济和可靠性指标，得到这些特征值的阈值.通过测量具体器件的噪声，与这些阈值进行比较，即可以对器件进行可靠性筛选.

分别对一批好的太阳能电池和坏的器件进行测量.如图4和5所示器件No.0005（合格）和No.0010（不合格）在正偏电压V＝0.33V的噪声功率谱密度.从图4和5中可以看出，坏的太阳能电池的噪声功率谱密度最大值比好的器件的最大功率谱密度值大两个数量级.因此可知，通过测量太阳能电池的噪声，可以很好地进行器件可靠性等级评估.

4 结论

噪声测试一般是在平衡态附近测量的，对被测试器件几乎不造成任何损伤，所以是无损的.电子器件的低频噪声不仅反映了器件由于各种应力引起的缺陷，而且反映了器件潜在的本征缺陷.

本文采用噪声测量来对多晶硅太阳能电池进行可靠性筛选.介绍了噪声测试系统的建立以及对噪声测试方法的研究.通过实验证明，对于晶硅太阳能电池，噪声方法要比传统的电参数检测更加敏感，甚至在一些电参数尚未明显变化时，噪声参数已经变化了几个数量级.更重要的是电子器件中潜在的本质缺陷用传统的电参数检测方法探测不到.

本文测量系统其主要功能是在软件的控制下实现噪声信号的采集和分析，该系统是基于虚拟仪器技术的一套完整的电子器件低频噪声测试分析仪器，具有传统噪声测试系统无法达到的一些功能.

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［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.

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［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

国家自然科学基金资助项目（60906034）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（11551504）；吉林省自然科学基金资助项

目（201115029）.

高健（1986—），女，硕士研究生，主要从事半导体器件及太阳能电池噪声与可靠性分析研究；通信作者：戴宏亮（1971—），男，工程师，主要从事计算机辅助研究.

石绍庆）