I-U- und C-U-Messungen an Solarzellen

Die elektrische Charakterisierung einer Solarzelle ist entscheidend, um deren Ausgangsleistung und Wirkungsgrad zu bestimmen. Keithley adressiert diese Anwendung mit seinem Halbleiter-Charakterisierungssystem 4200-SCS: Es vereinfacht den Solarzellentest mittels automatisierter I-U- und C-U-Messungen und entsprechenden Grafik- und Analysemöglichkeiten.

Die Charakterisierung von Solarzellen erfolgt mittels verschiedener Messungen - meist werden Strom und Kapazität als Funktion einer angelegten DC-Spannung gemessen. Aus den Strom/Spannungs- (I-U) und Kapazität/Spannungs-Messungen (C-U) lassen sich wichtige Bauteilparameter herausfiltern, wie etwa der Zellenwirkungsgrad und die maximale Ausgangsleistung. Darüber hinaus ist die elektrische Charakterisierung wichtig, um die Verluste in der Solarzelle bestimmen und minimieren zu können und die Zellen damit maximal effizient zu machen.

Ein Tool, das diese elektrischen Messungen und Analysen vereinfacht, ist das Halbleiter-Charakterisierungssystem 4200-SCS von Keithley. Es bietet alle nötigen Funktionen für I-U- und C-U-Messungen sowie die entsprechenden Grafikfunktionen und mathematischen Analysemöglichkeiten. Die zugehörige Software bietet zudem Tools für speziell auf Solarzellen abgestimmte I-U- und C-U-Messungen und für die Ableitung der PV-Zellenparameter aus den Testdaten.

Um den Solarzellentest zu vereinfachen, hat Keithley für das 4200-SCS ein Test-Setup namens »CVU_Pvcell« erstellt, mit dem der Anwender I-U- und C-U-Messungen durchführen und die gängigsten Messparameter wie maximale Leistung, Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, etc. extrahieren kann. »CVU_Pvcell« ist in allen 4200-SCS-Systemen enthalten, die mit der KITE-Version 7.0 oder höher laufen. Das Projekt umfasst insgesamt fünf Tests (ITMs, Interactive Test Modules): Es erlaubt die Erstellung einer I-U-Kennlinie mit Vorspannung in Durchlass- bzw. in Sperrrichtung, einer C-U-Kennlinie, einer 1/C2-vs.-V-Darstellung und einer C-f-Kennlinie.

I-U-Messungen

Viele wichtige Bauteilparameter lassen sich aus Strom/Spannungsmessungen (I-U) der Solarzelle ableiten. Die I-U-Charakteristik wird mit Hilfe einer der im 4200-SCS enthaltenen Source Measure Units (SMUs) ermittelt, die sowohl Strom, als auch Spannung einspeisen und messen können. Zwei Arten von SMUs sind für das 4200-SCS verfügbar: das 4200-SMU mit einer Quelle/Senke für bis zu 100 mA und das 4210-SMU mit einer Quelle/Senke für bis zu 1 A.

Bild 1 zeigt eine mit dem SMU des 4200-SCS für I-U-Messungen verbundene Solarzelle. Mit Hilfe einer Vierdraht-Verbindung wird der Leitungswiderstand kompensiert, weil dieser die Messgenauigkeit beeinflussen kann. Bei der Vierdraht-Methode wird die Spannung über separate Leitungen an die PV-Zelle angelegt (Force HI und Force LO) und der Spannungsabfall über der Zelle über gesonderte Messleitungen gemessen (Sense HI und Sense LO). Die Sense-Leitungen gewährleisten, dass die Spannung über der Zelle dem programmierten Ausgangswert entspricht und der Spannungsabfall über dem Leitungswiderstand kompensiert wird.

I-U-Messungen mit Vorspannung in Vorwärtsrichtung

I-U-Messungen mit Vorspannung in Vorwärtsrichtung der PV-Zelle erfolgen unter kontrollierter Beleuchtungsstärke. Die SMU dient als Quelle und erzeugt einen Spannungsverlauf, wobei der resultierende Strom gemessen wird. Hierfür eignet sich das Testmodul »fwd-ivsweep«. Der Anwender kann den Verlauf der Spannung entsprechend einstellen, die Parameter VOC und ISC lassen sich mit Hilfe des integrierten mathematischen Analysewerkzeugs, dem Formulator, aus den Ablaufdaten ableiten. Der Einfachheit halber berechnet »CVU_Pvcell« die gängigen Parameter und fügt die Werte automatisch bei jedem Test in die Tabelle ein. Mit Hilfe des Formulators lässt sich auch der Zellenwirkungsgrad berechnen, sofern die von der Zelle aufgenommene Leistung bekannt ist. Auch die Stromdichte lässt sich mit Hilfe der Zellenfläche ableiten.

Bild 2 zeigt eine mit dem Testmodul »fwd-ivsweep« generierte I-U-Kennlinie einer beleuchteten Halbleiter-PV-Zelle. Weil die  SMU des Systems auch als Stromsenke arbeitet, kann die Kurve durch den vierten Quadranten laufen und Leistung aus dem Gerät extrahiert werden. Mittels der Graph-Tab-Optionen kann der Anwender zwischen der grafischen Darstellung der Daten im linearen oder logarithmischen Maßstab umschalten. Der Serienwiderstand lässt sich aus der I-U-Kennlinie in Durchlassrichtung von zwei oder mehr Beleuchtungsintensitäten ermitteln. Hierzu müssen zuerst die I-U-Kennlinien bei zwei unterschiedlichen Intensitäten erstellt werden, wobei die Absolutwerte der Intensitäten unwichtig sind. Dann wird die Steilheit dieser Kurve in der Durchlass-Charakteristik in dem Bereich gemessen, in dem die Kurve linear wird. Der inverse Wert dieser Steilheit ergibt den Serienwiderstand. Mittels zusätzlicher Beleuchtungsintensitäten lässt sich dieses Verfahren über mehrere Punkte nahe dem Knie der Kurven erweitern.

Ein wichtiges Feature der  SMU des Keithley-Systems ist, dass es als Amperemeter einen sehr geringen Spannungsabfall aufweist. Die meisten konventionellen Digitalmultimeter weisen einen Spannungsabfall von mindestens 200 mV bei Vollausschlag auf. Werden nur wenige mV an das Messobjekt angelegt, kann dies zu Fehlern führen. Das SMU des 4200-SCS hingegen verursacht nur einen Spannungsabfall von max. 100 mV in der Messschaltung.

I-U-Messungen mit Vorspannung in Sperrrichtung

Leckstrom und Parallelwiderstand lassen sich aus den Daten der I-U-Kennlinie in Sperrrichtung ableiten. Normalerweise wird diese Prüfung im Dunkeln ausgeführt. Die Spannung wird von 0 V bis in die Nähe der Durchbruchspannung erhöht, dann wird der resultierende Strom gemessen und als eine Funktion der Spannung dargestellt. Je nach Größe der Zelle kann der Leckstrom im pA-Bereich liegen. Die Vorverstärker-Option des 4200-SCS erlaubt genaue Messungen bis unter ein pA. Der Parallelwiderstand der PV-Zelle wird über die Steilheit der I-U-Kennlinie in Sperrrichtung bestimmt.

Kapazitätsmessungen mit dem 4200-CVU

Neben der I-U-Charakteristik einer PV-Zelle lassen sich spezielle Parameter auch aus Kapazität-/Spannungs-Messungen ableiten: Je nach Art der PV-Zelle sind mit Hilfe des AC-Kapazitätswerts z.B. Parameter wie die Dotierungskonzentration und die Diffusionsspannung der Sperrschicht ermittelbar. Die Kapazitäts-Frequenz-Kennlinie liefert Informationen über die Existenz von Traps in der Verarmungsschicht. Das 4200-CVU, die optionale Kapazitäts-Spannungs-Einheit des 4200-SCS, misst den Kapazitätswert als Funktion der Frequenz, der Zeit oder  einer angelegten DC-Spannung.

C-U-Kennlinie

C-U-Messungen können entweder bei Vorspannung in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung erfolgen. Wird eine Vorspannung in Durchlassrichtung an die Zelle angelegt, muss die DC-Spannung begrenzt werden, sonst kann der Leitwert zu hoch werden. Der maximale DC-Strom darf nicht größer als 10 mA sein, sonst erreicht der DC-Spannungsausgang nicht den gewünschten Pegel.

C-f-Kennlinie

Nicht zuletzt misst das 4200-CVU auch die Kapazität als eine Funktion der Frequenz. Dabei kann der Anwender sowohl den zu durchlaufenden Frequenzbereich, als auch die Vorspannung einstellen. Letztendlich ist es die durchdachte Kombination aus automatisierten I-U- und C-U-Messungen und speziell auf die Anforderungen im PV-Markt zugeschnittenen Funktionen, mit denen Keithleys Halbleiter-Charakterisierungssystem punktet.

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