薄膜太阳电池器件电学性能测试系统设计

王一舒，陆小龙，王文武

(1.四川大学 锦城学院； 2.四川大学 a.制造科学与工程学院； b.材料科学与工程学院，成都 610065)

薄膜太阳电池器件电学性能测试系统设计

王一舒1，陆小龙2a，王文武2b

(1.四川大学 锦城学院； 2.四川大学 a.制造科学与工程学院； b.材料科学与工程学院，成都 610065)

为了实现变温环境下薄膜太阳电池电学性能的自动测试，提出了基于方形四探针法测试原理，采用由工业计算机(IPC)和Keithley 2401数字源表、智能温控仪(SRS13A, SRS14A)组成的主从式控制系统，实现薄膜太阳电池器件的电学性能测试。通过RS-485总线完成智能温控仪与上位机间数据通信，达到对测试环境和样品温度的智能控制。采用GPIB总线实现上位机与Keithly 2401数字源表间的信息交换，获取待测样品的电压、电流、电阻等参数值。基于LabVIEW开发环境编写的上位机软件被用于完成数据处理，T—R，T—I—U特征曲线的绘制和显示。为了验证该测试系统的性能，对化合物半导体(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太阳电池器件的电学性能进行了测试。结果表明，该系统能够完成变温环境下薄膜太阳电池器件电学性能的测试，并且该系统运行可靠、操作简便，能够满足实验室教学和科研的需要。

薄膜太阳电池； 电学性能； 测试系统

0 引 言

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，太阳能的开发和利用已经受到世界各国高度重视[1-2]。太阳电池是一种利用光生伏特效应将光能转化为电能的器件，主要分为晶体硅电池和薄膜电池两大类[3-4]。晶体硅电池因其具有较高的光电转化效率，长期主导着光伏市场，但成本较高。相反，薄膜电池虽然光电转化效率较低，寿命较短，但相对低廉的制造成本，以及近年在原有转化效率上突破性的进展，吸引了投资者更多的关注，处于高速发展期[5]。

电学性能是半导体材料区别金属材料和绝缘材料的主要特征，并且与温度密切相关。测量电池的T—R、T—I—U特征曲线是研究薄膜电池电学性能的主要方法。通过对测试数据的分析处理，不断改进生产条件和工艺参数，是提高电池光电转化效率，降低成本的主要途径。然而,国内对太阳能电池测试设备的研发相对滞后，不得不从国外进口昂贵的成套测试设备[6]。

为了满足实验室目前科研和教学的需要，降低科研成本，提高薄膜太阳电池的测试效率，扩大仪器适用范围，本文提出基于矩形四探针法测试原理，采用Keithley 2401数字源表和工控机构成的主从式测控系统，在真空、高低温、变温环境下完成对薄膜太阳电池T—R、T—I—U特征曲线测量。

1 测试系统总体方案

1.1测试原理

四探针法是材料学及半导体行业电学表征较常用的方法，其原理简单，能够消除电阻影响，具有较高的测试精度[7-9]。根据测试对象的结构要求不同，可分为直线四探针法、方形四探针法、范德堡法，以及改进四探针法四类。本文选用适用于微区测量的方形四探针法，完成薄膜太阳电池电学性能的测试。如图1所示，方形四探针法将4根探针放置在1个正方形4个顶点，给其中两探针通电流，测量另外2个探针的电压。当给探针3，4通电流时，依据下式计算出样品的电阻：

式中：RS为测试电阻；I为给探针3，4施加的电流。通过记录不同温度下的电阻值，完成对样品的T—R，T—I—U特征曲线测量。

1.2系统总体方案

根据目前科研与教学中对薄膜太阳电池电学性能测试的要求，认为该测试系统应具备：控温范围在-100～200 ℃ ；能够在高低温、变温、恒温，真空条件下完成样品T—R，T—I—U特征曲线测量，并以图形和表格的方式实时显示测试数据；系统软件需采用模块化设计，便于扩展。为此，本文提出如图2所示设计方案。该测试系统主要由实验箱、控温装置和测控系统3部分组成。

图1 方形四探针测试原理示意图

图2 测试系统总体方案

(1) 实验箱。主要由真空腔体、样品台和三轴探针夹持装置组成(见图3)。其中真空腔体采用不锈钢材料加工，由腔体上盖和腔体通过铰链联结而成。腔体上盖中部开设有圆形石英玻璃观察窗。腔体侧壁则开设有用于温度传感器、加热器、测试探针等器件与控制系统连接的接线端，以及用于连接真空泵、液氮储藏罐的管线接头。

1-真空腔体上盖，2-观察窗，3-真空腔体基座，4-探针，5-三轴探针夹持机构，6-样品台
图3 实验箱装配图

样品台呈圆柱状，采用导热率较高的铜合金制备，固定在真空腔体中间位置；加热器、温度传感器置于其内部。4个结构相同的三轴探针夹持装置均匀分布在样品台四周，测试探针固定在三轴探针夹持装置上，被测薄膜电池放置于样品台顶部。通过手动调节三轴探针夹持装置，驱动探针沿X、Y、Z3个方向移动，从而选择合适测量位置。

(2) 控温装置。选用日本岛电提供的SRS10A系列智能温控仪,实现测试环境温度的自适应控制。制冷采用液氮降温，加热采用200 W加热器实现，选用K型热电偶完成环境温度和样品温度的测试。为了降低成本，采用手动方式控制真空泵的启停和液氮的输入。

(3) 测控系统。采用由上位机和下位机构成的主从式控制方案。由Keithly2401，SRS13A，SRS14A组成的下位机完成测试环境的温度控制和样品电学性能测试，上位机负责测试参数设置、状态监测和数据处理。

2 控制系统设计

2.1硬件部分

如图4所示，控制系统主要由工业控制计算机IPC、高精度可编程低压数字源表Keithly2401、内置无超调专家PID算法的智能温控仪SRS13A和SRS14A，以及研华LPCI-3488A GPIB卡和RS-485-USB转换模块组成。

图4 控制系统硬件框图

SRS13A和SRS14A以及Keithley 2401构成下位机，负责测试环境的温度控制和样品电学性能测试。SRS13A借助继电器实现对加热器的自动控制。上位机与Keithley 2401通过研华LPCI-3488A GPIB卡实现数据交换。SRS13A和SRS14A则借助RS-485-USB转换模块与上位机实现串口通信。上位机主要负责完成人机交互任务，如参数设置、状态监控，数据显示，以及报表生成。

2.2软件部分

根据项目要求，提出了如图5所示的系统软件总体设计方案。程序采用图形化编程语言LabVIEW 2014开发，主要包括：测试控制模块、数据处理模块和通信模块。

测试控制模块通过向SRS13A、SRS14A发送指令，完成测试环境温度控制，并读取样品温度和实验环境温度；同时，通过发送SCPI指令对Keithley 2401进行测试功能的配置，以及读取相应的测试数据。测试系统将按照图6所示测试流程进行薄膜太阳电池T—R和T—I—U特征曲线测试，并完成相应的数据处理、显示和保存。

图5 控制系统软件框图

图6 软件控制流程图

3 通信模块程序设计

在现代控制系统中，由工业控制计算机与二次仪表构成的分布式控制系统获得了广泛的应用。上位机与下位机的通信是该类控制系统的难点[10-12]。在薄膜太阳电池器件电学性能测试系统中Keithley 2401与上位机间采用GPIB通信，两台智能温控仪SRS13A、SRS14A则采用RS-485串口通信。因此，能否保证二次仪表与上位机的可靠通信是该测试系统的关键。

3.1GPIB通信实现

GPIB总线接口(即IEEE-488标准)因具有使用灵活、高效、经济等优点，被众多仪器厂商所广泛接受和采用，已成为当今在计算机和测试测量仪器连接中使用最多的总线接口。通常使用两种方式来控制GPIB接口：调用原始API驱动函数或使用基于虚拟仪器软件架构(Visual Instrumentation Software architecture, VISA)的仪器驱动[13]。

(1) 调用原始API驱动函数。NI公司基于IEEE-488.2-1987标准为应用程序开发者提供了免费的GPIB-32.dll程序库。用户无需了解GPIB总线的底层协议，只需熟悉GPIB-32.dll中的基本命令函数，以及测试仪器所支持的程控指令，就可以通过编写代码实现各GPIB仪器之间的相互通信。该方法使用灵活，方便用户实现GPIB仪器的一些复杂操作。

(2) 使用基于VISA架构的仪器驱动。为了方便用户程控仪器，Keithley公司提供了基于NI-VISA库编写的仪器驱动(即Keithley 24XX Instrument Driver)。用户在LabVIEW环境下，依照仪器使用手册编写相应程序便可实现对Keithley 2400系列数字源表的程控[14]。与调用GPIB-32.dll函数库相比，该方法简单，易于实现。

在变温四探针测试仪控制系统中，通过调用相应函数VI(见图7)，便可实现对Keithley 2401 源表的各种操作。

图7 Keithley 24XX仪器驱动函数模块

3.2RS-485通信实现

在LabVIEW中实现串行通信的方式主要是利用VISA函数模块或使用ActiveX控件。对于RS-485串口通信，NI公司还提供了一套免费的基于VISA的ModBus程序库(即Modbus Library1.2.1)。该程序库可以用于各类标准以太网或串口的Modbus通信，并提供主控和伺服功能[15]。与使用VISA函数和ActiveX控件相比，使用该程序库实现Modbus通信更方便。

在薄膜太阳电池器件电学性能测试系统中，IPC与智能温控仪间采用Modbus_RTU通信协议进行数据通信。如图8所示，通过配置ModBus程序库中的MB Serial Master Query Read Holding Registers.VI的参数，便可实现对寄存器的读写操作，从而达到对智能温控仪的控制。

图8 SRS13A、14A寄存器读写函数模块

4 实验结果

为了验证薄膜太阳电池器件电学性能测试系统的各项性能，分别对化合物半导体(ZnTe:Cu)薄膜和CdTe薄膜太阳电池器件进行了测试，获得了样品的T—R和T—I—U特征曲线。

通过对ZnTe:Cu半导体薄膜的T—R特征曲线进行数据处理可以得到其电导率-温度关系曲线(见图9)。该关系曲线主要用来研究薄膜电池电学性能中的电导率与温度的关系。通过其可以计算出材料的电导激活能，结合其他表征可进一步获得材料的费米能级等信息。

图9 ZnTe:Cu薄膜的电导率—温度关系曲线

图10所示是利用本系统获得的CdTe薄膜太阳电池器件的T—I—U特征曲线。该特征曲线包含了电池结区或各膜层之间的界面信息。结合其他表征方法可以用于对薄膜太阳电池器件性能与电池结构、制备工艺等相关性，以及器件的物理机制的分析。

图10 CdTe薄膜太阳电池器件的暗态T—I—U曲线

此外,在薄膜太阳电池器件电学性能测试系统中，Keithley 2401高精度低压数字源表主要负责样品电学性能测试。其具备1 pA/100 nV的测试分辨率，从而确保了本系统的测试精度满足科研和教学的要求。

5 结 语

文中基于LabVIEW软件平台，采用高精度可编程低压源表Keithly 2401 和智能温控仪SRS13A、SRS14A研制了一台能够在真空、高低温、变温条件下实现薄膜太阳电池T—R，T—I—U特征曲线测量的薄膜太阳电池器件电学性能测试系统。系统自投入使用以来，性能可靠，运行稳定,能够满足实验室教学和科研的需要。

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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, 贵州安龙人, 讲师, 现主要从事自动化系统设计及应用研究。Tel.：18010687039; E-mail: elvawang18@163.com