ביצוע מדידות זרם-מתח וקיבול-מתח בתאים סולריים ובתאים פוטו-וולטאיים

הדרישה הגוברת לאנרגיה מחד, והאספקה המוגבלת של חומרי דלק מחצביים מאידך, הפכו את החיפוש אחר מקורות אנרגיה חלופיים להכרחי. בהינתן העובדה שקיימת כמות אדירה של אנרגיה זמינה מהשמש, גדלה גם החשיבות של ההתקנים הממירים את אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית. תאים סולריים או תאים פוטו–וולטאיים (PV) ממירים את אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית שימושית. תאים אלו מופקים מחומרים סופגי אור. כאשר התא מואר, נושאי מטען שנוצרים באופן אופטי יוצרים זרם חשמלי בעת חיבור התא לעומס.
אנו מבצעים מגוון של בדיקות על מנת לקבוע את המאפיינים החשמליים של תאים פוטו–וולטאיים. האפיון של התאים כרוך לעתים קרובות במדידה של הזרם והקיבול כפונקציה של מתח ישר שמופעל. המדידות מתבצעות בדרך כלל בעוצמות אור שונות ובתנאי טמפרטורה שונים. ניתן להפיק פרמטרים חשובים לגבי ההתקן מתוך מדידות של זרם–מתח (I-V) וקיבול–מתח (C-V), ובהם נצילות ההמרה ותפוקת ההספק המרבית. האפיון החשמלי חשוב גם על מנת לקבוע את ההפסדים בתא הפוטו–וולטאי. בעיקר נדרש האפיון החשמלי כדי לקבוע דרכים שבהן ניתן יהיה להפוך את התאים לבעלי נצילות גבוהה והפסדים מזעריים ככל האפשר.
לביצוע מדידות חשמליות חשובות אלו, ניתן להשתמש בכלי כדוגמת מערכת אפיון של מוליכים למחצה דגם 4200–SCS, כדי לפשט את הבדיקה והניתוח. המערכת מדגם 4200–SCS היא מערכת מדידה שכוללת כלים לביצוע מדידות I–V ומדידות C–V, וכן גם תוכנה, גרפיקה ויכולת ניתוח מתמטית. התוכנה כוללת בדיקות המיועדות לביצוע מדידות I–V ומדידות C–V במיוחד על תאים סולריים, ומתוך נתוני הבדיקה היא גוזרת פרמטרים נפוצים לגבי התאים הפוטו–וולטאיים. הנחיות ליישום מתארות את השימוש במערכת דגם 4200–SCS בעת ביצוע המדידות החשמליות בתאים פוטו–וולטאיים. הנושאים כוללים את העקרונות הבסיסיים של תאים פוטו–וולטאיים,  חיבורים של התא במעגלי המדידה, מדידות זרם – מתח קדמיים ואחוריים, מדידות קיבול – מתח, שיקולי מדידות ומקורות שגיאה.

פרמטרים בסיסיים
של מעגלים והתקנים של תאים פוטו וולטאיים
המעגל השקול המופיע באיור 1 מייצג תא פוטו וולטאי. המודל מורכב מזרם הנוצר באופן אופטי (IL), דיודה המייצרת זרם [Is(eqV/kT)], התנגדות טורית (rs) והתנגדות מקבילית (rsh). ההתנגדות הטורית נובעת ממגעי המתכת, מהפסדים אוהמיים במשטח הקדמי של התא ומעומק הצומת. להתנגדות הטורית יש חשיבות מפני שהיא מקטינה את זרם הקצר ואת התפוקה המרבית של התא. במצב אידיאלי ההתנגדות הטורית rs היא 0. ההתנגדות המקבילית מייצגת את ההפסדים הנובעים מדליפת המשטח לאורך שפת התא או מפגמים בגביש. במצב אידיאלי rsh היא אינסוף.
אם נחבר נגד עומס RL לתא PV מואר, הזרם הכולל יהיה:

כאשר: Is הוא זרם הרוויה של הדיודה, IL הוא הזרם הנוצר באופן אופטי.
קיימים כמה גורמים הקובעים את נצילות התא הסולרי, בהם נכללים נקודת ההספק המרבי (Pmax), נצילות המרת האנרגיה והנצילות הקוואנטית (fill factor–FF). נקודות אלו מתוארות באיור 2 המציג עקומת זרם–מתח אופיינית בממתח קדמי של תא מואר. נקודת ההספק המרבית היא מכפלת הזרם והמתח המרביים (Imax ו–Vmax). נקודה זו נמצאת ב”ברך” של העקומה.
הנצילות הקוואנטית מתארת את ההבדל שבין מאפייני הזרם–מתח של תא ממשי לבין מאפייני תא אידיאלי. הגדרת הנצילות:

כאשר:
Imax – הזרם בהספק מוצא מרבי
Vmax – המתח בהספק מוצא מרבי
Isc – הזרם הקצר
Voc – המתח בריקם
נצילות ההמרה היא פרמטר חשוב נוסף המוגדר כיחס שבין תפוקת ההספק המרבית לכניסת ההספק:

כאשר:
Pmax – תפוקת ההספק המרבית
Pin – הספק הכניסה לתא המוגדר כסך כל אנרגיית הקרינה הנקלטת במשטח התא.
את הפרמטרים האלו אפשר לקבוע באמצעות אפיון חשמלי של ההתקן.

מדידות זרם–מתח וקיבול–מתח בתא סולרי באמצעות 4200–SCS
4200–SCS יכול לשמש למדידות זרם–מתח וקיבול–מתח וכן להפקת פרמטרים נפוצים, כגון הספק מרבי, זרם קצר, מתח בריקם וכיו”ב. פרוייקט המדידה נקרא CVU_Pvcell, והוא נכלל בכל מערכות 4200–SCS הפועלות עם גרסה 7.0 או יותר של KITE. בפרוייקט קיימות חמש בדיקות המכונות ITM (מודולים אינטראקטיביים לבדיקה) ומבצעות סריקת זרם–מתח בממתח קדמי, זרם–מתח בממתח אחורי, סריקת קיבול–מתח, תרשים 1/C2 לעומת המתח וסריקת מתח–תדירות.
מדידות זרם–מתח באמצעות 4200–SMU
מדידות זרם–מתח מתבצעות ביחידת מדידת מקור (SMU) של 4200–SCS שיכולה לחולל ולמדוד זרם ומתח. עבור 4200–SCS קיימים שני סוגי יחידות, 4200–SMU ו–4210–SMU שיכולות לחולל ולקלוט זרם של עד 100 מילי–אמפר ועד 1 אמפר, בהתאמה. אם התא חורג מזרמים אלו, יש צורך להקטין את זרם המוצא. אחת הדרכים היא על ידי הקטנת שטח התא. אפשרות נוספת היא דרך השימוש בסדרת 2400 SourceMeter® של Keithly המטפלת בזרמים גבוהים יותר.
במערך שבאיור 4 נעשו חיבורים בארבעה חוטים כדי לבטל את השפעת התנגדות המוליכים. המתח מוזן בזוג חוטים אחד ומפל המתח נמדד בזוג השני.

מדידות זרם–מתח בממתח קדמי
מדידות זרם–מתח מבוצעות בתנאי תאורה מבוקרים. יחידת SMU מוגדרת לחולל סריקת מתח ולמדוד זרם. המשתמש יכול לכוון את הסריקה לערכים הרצויים. במתח אפס (Voc) נמדד זרם הקצר Isc ובמתח ריקם (V) הזרם הנמדד הוא אפס. אפשר לגזור בקלות פרמטרים אלו מנתוני הסריקה באמצעות כלי הניתוח Formulator המובנה ב–4200–SCS.
מאחר שיחידות SMU של המערכת יכולות לקלוט זרם, העקומה יכולה לעבור ברביע הרביעי וההתקן יכול להפיק הספק. (I–, V+). אפשרויות כרטיסיית Graph מאפשרות שרטוט גרף זרם לעומת מתח וכן מעבר קל בין סקלה רגילה ללוגריתמית.
אפשר לחשב את ההתנגדות הטורית מסריקת I–V קדמית בשתי עוצמות אור או יותר. יש ליצור עקומות בשתי עוצמות שונות ולמדוד את שיפוע העקומה במקום שהיא ליניארית. הערך ההפוך של השיפוע הוא ההתנגדות הטורית:
ΔV
rs = ——
ΔI
באיור 7 אנו רואים שאפשר להעביר קו בין נקודות הברך של מדידות בעוצמות אור שונות כדי לחשב מהשיפוע שלו את ההתנגדות הטורית.
תכונה חשובה של יחידת SMU כמודד זרם היא מתח העומס הנמוך שלה. העומס של מודדים ספרתיים (200 מילי–וולט לפחות) עלול לגרום לשגיאות מדידה גבוהות. מתח העומס של יחידת SMU לא עולה על כמה מאות מיקרו–וולטים.

מדידות זרם–מתח בממתח הפוך
אפשר להפיק את זרם הזליגה וההתנגדות המקבילית (rs) מנתוני מדידת זרם–מתח בממתח הפוך, שמתבצעת בדרך כלל בחשכה. המתח עולה מ–0 וולט עד למתח הפריצה של ההתקן. בתלות בגודל ההתקן, זרם הזליגה יכול להיות בתחום של פיקו–אמפר. ל–4200–SCS יש אפשרות של קדם–מגבר למדידת זרם מדויקת הרבה מתחת ל–1 פיייקו–אמפר. במדידת זרם של ננו–אמפרים ופחות, יש להשתמש בכבלים לרעש נמוך ולסכך את ההתקן להגנה אלקטרוסטטית. את הסיכוך יש לחבר לחיבור Force LO של 4200–SCS.
אפשר למצוא את ההתנגדות המקבילית של התא מתוך שיפוע עקומת זרם–מתח בממתח הפוך כפי שמתואר באיור 8. חישוב ההתנגדות באזור הליניארי של העקומה הוא:
עקומה אמיתית של התא בממתח הפוך מוצגת באיור 9. בגרף לוג למחצה זה, הערך המוחלט של הזרם משורטט כפונקציה של הממתח ההפוך בציר X המהופך.
בתלות בסוג תא PV, מדידת הקיבול במתח חילופין מאפשרת לגזור פרמטרים כמו ריכוז האילוח (doping) והמתח המובנה של הצומת. סריקה כזו יכולה לספק מידע על אפשרות קיומן של מלכודות (trap) באזור הדילול. יחידת הקיבול–מתח, 4200–CVU, יכולה למדוד את הקיבול כפונקציה של מתח ישר (C–V), של תדירות (C–f) או של זמן (C–t).

למדידת קיבול–מתח, יש לחבר תא סולרי אל 4200–CVU כמוצג באיור 10. גם במדידה זו יש להשתמש בחיבורי ארבעה חוטים כדי לפצות על התנגדות המוליכים. המתח הישר הגבוה של יחידת CVU מתחבר לאנודה. בתרשים לא מופיעים הסיכוכים של כבלי הקואקס, יש לחבר ביניהם במקום קרוב ככל האפשר לתא הסולרי. חיבור זה נדרש להשגת הדיוק הגבוה ביותר מאחר שהוא מקטין את השפעות ההשראות במעגל הנמדד ויש לכך חשיבות מיוחדת במדידות של קיבול בתדירויות גבוהות.
להקטנת השפעות הקיבול של הכבלים חשוב לבצע כיולי קצר וריקם (SHORT ו–OPEN) ותיקון Cable Correction. תהליכים פשוטים אלו נדונים במדריך המלא של 4200–SCS. מאחר שקיבול התא יחסי ישר לשטח, ייתכן שיש צורך להקטין את השטח כדי להימנע מקיבולים גדולים מדי עבור המדידה. ביצוע המדידה בתדירות נמוכה (10 קילו–הרץ) ובמתח חילופין נמוך מאפשר מדידת קיבולים גבוהים יותר.

סריקת קיבול–מתח
אפשר לבצע מדידות קיבול–מתח בממתח קדמי או הפוך, אולם יש להגביל את המתח הישר בממתח קדמי כדי למנוע הולכה גבוהה מדי. אסור שהזרם הישר יעלה על 10 מילי–אמפר כדי שהמתח הישר במוצא יהיה ברמה הרצויה. באיור 11 מוצגת עקומת קיבול–מתח של תא סיליקון בבדיקה שנערכה בחשכה כשהתא ממותח הפוך.
לעתים נדרש לצפות בנתונים בצורת 1/C2 לעומת V במקום לשרטט dC/dV. אפשר לגזור את צפיפות האילוח (N) משיפוע עקומה זו בעזרת הקשר:

כאשר:
N(a) = צפיפות האילוח (1/סמ”ק)
q = מטען האלקטרון
E = המקדם הדיאלקטרי (permittivity) של המוליך למחצה (סיליקון)
A = השטח (סמ”ר)
C = קיבול נמדד
V = המתח הישר המחובר
אפשר לגזור את המתח הפנימי של צומת התא מנקודת המפגש של עקומת 1/C2 עם הציר האופקי. איור 12 מציג עקומה ממשית כזו.

סריקת קיבול–תדירות
בעזרת 4200–CVU אפשר למדוד גם קיבול כפונקציה של התדירות (איור 13). יש אפשרות לכוון את תדירות הסריקה ואת מתח הממתח.

סיכום
מדידת המאפיינים החשמליים של תא סולרי חיונית ביותר לקביעת הביצועים שלו. המודד 4200–SCS הופך את המדידות לאוטומטיות ומספק יכולות גרפיקה וניתוח, וכמו כן, בנוסף למדידות המתוארות כאן הוא יכול לשמש גם למדידות התנגדות של חומרי תאים פוטו–וולטאיים.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת דן-אל טכנולוגיות