太阳能电池的E_n-I_n噪声模型构建与可靠性筛选方法研究

【摘要】：随着太阳能电池在人类社会的广泛应用，尤其是作为供电系统的重要组成部分应用于在轨运行的空间站、宇宙飞船以及人造卫星等高端应用领域，并且这些实际应用环境与太阳能电池的生产测试环境相比差别较大，因此自太阳能电池问世以来，其可靠性研究一直在持续进行。 低频噪声作为一种高效、无损的方法，一直是半导体器件可靠性研究的重要工具之一。低频噪声源于半导体器件内部载流子的无规则运动，不可避免，而过激低频噪声则是表征器件可靠性的重要指标。目前，已经发现太阳能电池中存在的过激噪声有1/f噪声，G-R噪声，RTS噪声以及猝发噪声，其中后三种类型的低频噪声在频域均表现为G-R谱，而RTS噪声与猝发噪声则在时域上表现为明显的持续时间不同而幅度相近的脉冲序列。虽然，国内外对于基于低频噪声的太阳能电池可靠性筛选有了初步的研究，但通过阅读大量的文献发现，目前研究还存在如下问题：(1)对于太阳能电池的低频噪声有了一定的认识，但是却未研究其实际的电信号表现形式，及其对短路电流与开路电压这两个重要参数的影响，未建立一个适用于全面分析太阳能电池噪声特性的模型；(2)没有对太阳能电池电流噪声和电压噪声的提取方法进行研究，进而没有提出一种综合这两种噪声的可靠性筛选方法；(3)对于广泛应用的太阳能电池组件的可靠性研究还仅限于目测，或测量开路电压、短路电流等参数以及长时间的应力实验等方式，而基于低频噪声这种无损、方便、高效的可靠性评估方法研究甚少；(4)对于实际应用的太阳能电池组件，其噪声参数的研究目前仍是空白。 因此，基于低频噪声对于短路电流和开路电压的影响，构建太阳能电池的E_n-I_n噪声模型并对噪声参数进行提取，综合考虑测得的各噪声参数，对太阳能电池进行可靠性筛选，并在模型的基础上对组件的噪声参数进行研究，以便实现对组件进行基于低频噪声的可靠性评估的研究。因此，本课题从以下几个方面进行研究： (1)提取太阳能电池的等效二端口网络并构建其E_n-I_n噪声模型 根据太阳能电池的等效电路，提取太阳能电池的等效二端口网络；分析太阳能电池的低频噪声类型及其噪声产生机理，以电流噪声源与电压噪声源这两种形式，合理地将太阳能电池的内部噪声源等效到二端口网络输出端，构建太阳能电池的E_n-I_n噪声模型。 (2)研究太阳能电池E_n-I_n模型的噪声参数提取及测试方案 根据二端口网络理论，将太阳能电池内部或表面缺陷引起的噪声功率等效到输出端，研究噪声模型的电流噪声参数与电压噪声参数与输出噪声功率的关系，得到两个噪声参数的提取方法；从而依据噪声参数的提取方法确定实际的测试电路。 (3)研究太阳能电池的可靠性筛选方法 对太阳能电池的电流噪声功率谱与电压噪声功率谱进行谱成分分析，提取1/f谱成分的频率范围与频率指数，G-R谱成分的转折频率与幅度，提取1/f谱频率范围内随偏置条件变化最敏感的频率点与G-R谱幅度作为两个敏感参数对太阳能电池进行可靠性筛选分类；考虑到这两种点频噪声信息表征不完整性，为了得到更加细致准确的筛选分类结果，从全频段分析噪声功率谱，将Gower相似系数作为敏感参数，采用逐步分类的方法进行可靠性筛选分类。 (4)研究双电池连接的简单太阳能组件的噪声参数计算方法 本设计仅考虑以只有两个太阳能电池单体按照串联、并联这两种基本连接形式构成的简单组件，分别研究了这两种形式组件网络噪声参数的计算方法，进而得到一般性规律，为复杂组件的噪声特性研究做铺垫。 【关键词】：太阳能电池 噪声模型 噪声参数 可靠性筛选 Gower相似系数 组件
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 课题主要研究内容14-15
• 1.4 本章小结15-17
• 第2章 太阳能电池的低频噪声及二端口网络的噪声模型17-27
• 2.1 低频噪声的统计特性17-18
• 2.2 半导体器件的低频噪声18-19
• 2.3 太阳能电池的低频噪声形成机理及其与可靠性的关系19-22
• 2.3.1 1/f 噪声19-20
• 2.3.2 G-R 噪声20-21
• 2.3.3 微等离子体噪声21-22
• 2.4 二端口网络的噪声模型22-25
• 2.4.1 二端口网络的电路参量22-24
• 2.4.2 二端口网络的噪声模型24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第3章 太阳能电池的 E_n-I_n噪声模型构建及其噪声参数测量27-41
• 3.1 太阳能电池的 E_n-I_n噪声模型构建27-30
• 3.1.1 太阳能电池的基本工作原理与主要特性参数27-28
• 3.1.2 硅太阳能电池的 E_n-I_n噪声模型构建28-30
• 3.2 太阳能电池等效噪声二端口网络特性分析30-31
• 3.3 太阳能电池的低频噪声测试系统31-39
• 3.3.1 太阳能电池 E_n-I_n噪声模型的参数提取方法研究32-33
• 3.3.2 太阳能电池 E_n-I_n噪声模型的参数测试33-35
• 3.3.3 测试结果35-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 基于 E_n-I_n模型的太阳能电池可靠性筛选方法研究41-57
• 4.1 太阳能电池低频电压噪声与电流噪声的谱成分分析41-44
• 4.2 可靠性筛选的分类标准44-45
• 4.3 太阳能电池的点频敏感参数可靠性筛选方法研究45-49
• 4.3.1 基于 fS(f)曲线的 G-R 谱敏感参数提取45
• 4.3.2 基于 S(f)曲线的 1/f 谱敏感参数提取45-46
• 4.3.3 点频敏感参数可靠性筛选方法46-49
• 4.4 太阳能电池的全频段可靠性筛选方法研究49-55
• 4.4.1 通用相似系数——Gower 相似系数50-52
• 4.4.2 基于 Gower 系数的太阳能电池可靠性筛选方法研究52-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第5章 双电池连接的简单组件噪声参数计算方法研究57-63
• 5.1 双太阳能电池串联的简单组件噪声参数计算方法研究57-59
• 5.2 双太阳能电池并联的简单组件噪声参数计算方法研究59-61
• 5.3 连接矩阵61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第6章 总结与展望63-65
• 参考文献65-69
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果69-71
• 致谢71

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