薄膜太阳电池器件电学性能测试系统设计

发布时间：2020-01-17 15:54

【摘要】：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Lab VIEW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(Zn Te:Cu)薄膜和Cd Te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。
【图文】：

示意图,原理,示意图,四探针法

范围，本文提出基于矩形四探针法测试原理，采用Keithley2401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:ＲS=2πU1，2Iln2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?

总体方案,测试系统,腔体

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:ＲS=2πU1，2Iln2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92

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