太陽能電池 I-V 特性分析

太陽能或光伏 （PV） 電池是從光源中吸收光子然后釋放電子的裝置，當電池與負載相連時促使電流流動產生電力。光伏電池研究人員和制造商致力于以低的成本，實現高的效率。因此，對光伏電池和光伏材料進行電氣特性分析是研究、 開發和制造過程的重要部分。對太陽能電池進行電流-電壓特性分析可以獲得有關電池效能的重要參數，包括大電流（Imax） 和大電壓（Vmax）、開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）及效率（η）。

在太陽能電池I/V特性分析中使用的電源測量設備（Source-Measure-Unit, SMU）。

為何選擇SMU來進行太陽能電池的I/V測試？

許多半導體和電子裝置測試皆涉及要盡可能快地輸出電壓和量測電流。整體測試時間是由充電時間、量測時間、放電時間，以及設定和處理測試時間所組成的函數。傳統的電源供應器只能輸出電壓或電流，而無法輸入。

但是，四象限SMU儀器不僅可以輸出和輸入電壓和電流，同時還可以量測電壓、電流或電阻。 SMU儀器的四象限運作透過自動輸入模式，能夠迅速吸收來自待測裝置（DUT）和布線的所有電荷，可有效加速放電時間。此外，若將此輸出和量測能力緊密整合至單一儀器，即不再需要單獨的數字萬用電表（DMM）和電源供應器。

這將可改善測試時間、簡化整體測試系統設計，并提升可用性。因此，在太陽能電池的I/V測試中，四象限的源表SMU（Souce-Measure-Unit）是常用和推薦的。

低電流量測的噪聲主要來源之一：交流電源的干擾

在低電流的測試中，噪聲噪聲對讀值的影響是需要考慮的，一般噪聲來源有1） 靜電耦合; 2） 震動/變形 3）飄移電流 4）交流電源干擾。其中交流電源的干擾是最嚴重的干擾。

交流電源如何產生干擾的噪聲呢？簡單說，電測儀表的供電系統，多是由市電AC交流電壓供電后，由內部的全波或是半波整流電路整流后，產生「直流電壓」，供應給相關的放大電路、AD電路等。事實上，「直流電壓」仍會帶有「紋波」（ripple voltage）。此紋波電源就是一種微小的供電「不穩定」，對測量電路的讀值也會跟著產生微小震蕩。這也就是我們在讀值上產生「跳動」，形成噪聲的干擾。

全波整流與半波整流電路。兩者均可將AC交流的輸入電壓，整流、平滑后，輸出接近「直流」DC的電壓，但是仍會留有「紋波」特征。此紋波會對測量電路，形成讀值的「噪聲」。

因此，不論是源表SMU或是多菜單DMM，在設計上就必許考慮這種內部電源紋波的噪聲影響。除了本身在交流-直流轉換電路上精進，在低電流訊號測量上，更需要有將這種紋波噪聲噪聲與真正帶測訊號分離或消除的設計。目前源表SMU或多菜單DMM在自身的測量功能上都內建了NPLC濾波與平均濾波的功能，來消除噪聲對待測訊號的干擾。以下就針對這兩種功能做簡單說明。

SMU如何消除測量噪聲：內建NPLC/濾波/移動平均功能的介紹

NPLC濾波功能

NPLC是采樣電源的周期倍數，N代表是多少倍，PLC（Power Line Cycle）是電源線周期。如前述，交流電源的干擾是很厲害的。為了減少交流電源的干擾，一個常用的方法就是把測量周期盡可能的取成交流周波的整數倍。這樣，在一個周期內各種干擾能夠互相抵消。

不論是直流電壓、直流電流和電阻測量表的測量分辨率與精度，都會因為交流電源噪聲而下降。利用NPLC電源線周期的整數倍采樣，可以降低交流電源噪聲。使用N=1或是更大的NPLC會增加數據采集的積分時間，從而將噪聲消除，進而提高測量分辨率與準絕度。NPLC=100可以帶來高的準確度，但是整個測試的時間會是NPLC=1的100倍。

讀者可能對于電測表的「積分時間」感覺很陌生、很難體會。可以換個方式理解NPLC: NPLC的設定就決定源表SMU「自動采樣平均」的次數。假設SMU的采樣一個讀值是固定的=1ms。市電頻率是50Hz，也就是一個電源線周期是0.02sec。當設定NPLC=1時，源表就會自動在采集（0.02sec/1ms）=20次，然后把這20次的采樣平均后輸出讀值。而這20次的采樣是平均分布在電源線周期的一個完整周期，所以平均下來就是0，也就消除了噪聲。當單次采樣時間比1ms快很多，接近無窮小，則就是上述的「積分時間」的概念。

測量速度與性能兩難全。例如使用的交流電是50Hz，一個周期是0.02秒，因此若NPLC=1就是測量采樣周期為0.02秒，若NPLC=10就是測量采樣周期為0.2秒，若NPLC=50就是測量采樣周期為1秒。只有提高NPLC這樣才能抑制噪音，提高交流共模抑制比。當然，有的時候要追求測量速度，采樣周期小于0.02秒，那必然要犧牲電表測試性能了。也就是前述的，NPLC=100可以帶來高的準確度，但是整個測試的時間會是NPLC=1的100倍。

平均濾波器功能

平均濾波器的功能與NPLC=1的概念相似，藉由多次采樣后平均，可以有效的消除電源噪聲或是其他噪聲。

源表「濾波器」（Filter）功能，是內建的「平均」的概念，為的也是有效的消除噪聲噪聲。藉由多次的采樣平均，來消出噪聲以提高測量的精度與分辨率。同樣的，平均計數越多，讀值結果就越精確，但所耗費的時間就越久。不適合動態變化的樣品（非平衡態）或是不穩定的樣品。

如何啟動NPLC的功能？

因為每個源表SMU都內建了NPLC或是平均濾波器的功能。用戶可以利用儀表面板的按鈕功能或是編程控制NPLC或是濾波器的功能。