太阳能电池低频噪声测试系统设计及其可靠性筛选方法研究

【摘要】：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,同时也是一种清洁能源。在太阳能的有效利用中,太阳能电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域。目前,太阳能电池的应用已经从军事和航天领域进入工业、商业、农业以及公共设施等各个领域,尤其可以为边远山区、沙漠、海岛等地区提供用电,可以免去长距离输电线路,显著降低成本。太阳能电池作为系统的能源动力来源,其质量的好坏和可靠性的高低直接影响到整个系统的正常运行,特别是军事、航天领域中,其可靠性研究更加重要。 以往半导体器件的可靠性筛选包括检测筛选、环境应力筛选、寿命筛选和特性参数筛选等,这些筛选方法往往花费大,周期长,而且是破坏性的,不能够对器件进行百分之百的检测。随着对半导体器件内部噪声产生机理的明确,低频噪声测试分析法以其快速、简便、非破坏性等特点,被国内外的许多研究者认可和采用,并已成功运用到光电耦合器件、半导体激光器、基准二极管等多种半导体器件的可靠性筛选中。 目前,国外对太阳能电池的低频噪声已有初步研究,而国内在这方面的研究甚少。J.Dubow和C.Osterwald率先提出用太阳能电池的噪声功率谱密度作为太阳能电池的可靠性估计,但是太阳能电池的噪声特性未得到很好验证;后来Kleipenning根据PN结二极管中1/f噪声的来源,分析了不同电流密度时,太阳能电池中1/f噪声的来源,这为利用噪声作为太阳能电池的可靠性估计提供了理论基础。通过大量的实验,发现太阳能电池的噪声参数与其可靠性之间具有相关性。当太阳能电池PN结存在缺陷时,噪声的变化量远大于直流参数的变化。但是对于大电流密度下的噪声与可靠性的关系并没有进行说明。通过查阅大量国内外的相关文献,目前国内外对于太阳能电池的低频噪声研究及其可靠性筛选方法主要存在以下几个方面问题:1)太阳能电池中的噪声与可靠性的关系没有得到明确证明;2)、目前对于太阳能电池的噪声可靠性筛选方法,包括测试电路设计、测试方法研究、筛选阈值的确定等还是一片空白;3)目前国内外对于太阳能电池的噪声测试并没有一套完整的低频噪声自动测试系统,不能够对太阳能电池进行无损、快速的筛选。 因此,在太阳能电池广泛应用的今天,研究太阳能电池内部的噪声,通过测量太阳能电池的低频噪声进行太阳能电池的可靠性筛选,已经成为一个意义重大的研究课题。本文主要分析太阳能电池的1/f噪声与其串联电阻的关系,明确1/f噪声与其填充因子、转换效率的关系,为将噪声运用到太阳能电池可靠性筛选中提供强有力的理论依据。构建太阳能电池噪声测试系统,准确测量太阳能电池的低频噪声并进行分析,确定太阳能电池可靠性筛选方法。本课题所研究的内容可以归纳为以下几个部分。 1)明确太阳能电池低频噪声与其可靠性的关系。 根据文献和实验数据,分析太阳能电池1/f电流噪声的主要来源;分析太阳能电池的电流功率谱及其与电流的关系以及电流功率谱与太阳能电池串联电阻的关系,根据太阳能电池I-V特性,把电流噪声与电压噪声联系起来;推导太阳能电池串联电阻与其填充因子、转换效率之间的关系,进而推导太阳能电池1/f电压噪声与填充因子、转换效率之间的关系,从而明确太阳能电池的1/f电压噪声与可靠性的关系。 2)太阳能电池噪声测试电路设计。 太阳能电池的噪声测试属于微弱信号噪声测量,针对微弱噪声信号的测量,设计太阳能电池的噪声测试电路。测试电路要求能够改变被测太阳能电池两端偏置电压,因为不同的偏置电压条件下的噪声值可能存在很大差异。太阳能电池的噪声非常小,采用双通道低噪声放大器进行放大。 3)太阳能电池噪声可靠性筛选方法研究。 测量太阳能电池的电压噪声功率谱,提取其1/f电压噪声有效值,分析1/f电压噪声有效值的正态性和频度分布;通过测量大量太阳能电池的噪声,研究太阳能电池点频噪声筛选方法和基于马氏距离的筛选分类方法。 4)测试系统软件设计。 测试系统能够自动控制数据采集卡进行太阳能电池噪声采集;对采集的噪声时间序列进行FFT变换得到其频谱后进行频域分析和可靠性筛选。测试系统还能够自动保存被测器件的噪声数据和筛选信息;能够查找已测器件的噪声数据和分类信息;可以打印已测器件的噪声功率谱和测试报告。 【关键词】：太阳能电池 1/f噪声 可靠性 马氏距离 筛选方法 虚拟仪器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.3 课题研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 半导体器件噪声及其与可靠性的关系18-26
• 2.1 电噪声及其统计特征18-20
• 2.2 半导体器件内的噪声形成机理及其与可靠性的关系20-25
• 2.2.1 白噪声20-21
• 2.2.2 1/f 噪声21-23
• 2.2.3 G-R 噪声和爆裂噪声23-24
• 2.2.4 微等离子体噪声24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 太阳能电池低频噪声测试系统硬件设计26-34
• 3.1 测试系统的总体构成26-27
• 3.2 测试偏置电路27-28
• 3.3 低噪声前置放大器28-30
• 3.4 数据采集设备30-32
• 3.5 本章小结32-34
• 第4章 太阳能电池噪声功率谱分析及其可靠性筛选方法研究34-54
• 4.1 太阳能电池低频噪声测量方法34-35
• 4.2 太阳能电池的1/f 噪声来源及模型分析35-38
• 4.3 1/f 噪声作为太阳能电池可靠性指示38-40
• 4.4 太阳能电池的电压噪声功率谱分析40-42
• 4.5 太阳能电池的1/f 噪声筛选方法研究42-46
• 4.5.1 1/f 电压噪声的正态性分析和噪声频度分布42-45
• 4.5.2 可靠性筛选判据的确定45-46
• 4.6 基于马氏距离的可靠性筛选方法研究46-52
• 4.7 本章小结52-54
• 第5章 太阳能电池低频噪声测试系统软件设计54-70
• 5.1 虚拟仪器与LabVIEW 简介54-55
• 5.2 测试系统软件的整体设计55-58
• 5.3 数据采集与分析58-60
• 5.3.1 噪声数据采集58-59
• 5.3.2 噪声数据的频域分析59-60
• 5.4 数据存储60-63
• 5.4.1 噪声时域波形与功率谱的存储61-62
• 5.4.2 数据库的存储62-63
• 5.5 数据查询63-66
• 5.5.1 查看噪声时域波形与功率谱63-64
• 5.5.2 数据库查找64-66
• 5.5.3 删除数据库表66
• 5.6 打印模块66-68
• 5.6.1 打印器件的噪声功率谱66-68
• 5.6.2 打印数据库表68
• 5.7 本章小结68-70
• 第6章 总结和展望70-72
• 参考文献72-77
• 作者简介及科研成果77-78
• 致谢78

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