太陽(yáng)能電池低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性篩選方法研究

【摘要】：太陽(yáng)能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,同時(shí)也是一種清潔能源。在太陽(yáng)能的有效利用中,太陽(yáng)能電池是近年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。目前,太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已經(jīng)從軍事和航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)以及公共設(shè)施等各個(gè)領(lǐng)域,尤其可以為邊遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠、海島等地區(qū)提供用電,可以免去長(zhǎng)距離輸電線路,顯著降低成本。太陽(yáng)能電池作為系統(tǒng)的能源動(dòng)力來(lái)源,其質(zhì)量的好壞和可靠性的高低直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,特別是軍事、航天領(lǐng)域中,其可靠性研究更加重要。 以往半導(dǎo)體器件的可靠性篩選包括檢測(cè)篩選、環(huán)境應(yīng)力篩選、壽命篩選和特性參數(shù)篩選等,這些篩選方法往往花費(fèi)大,周期長(zhǎng),而且是破壞性的,不能夠?qū)ζ骷M(jìn)行百分之百的檢測(cè)。隨著對(duì)半導(dǎo)體器件內(nèi)部噪聲產(chǎn)生機(jī)理的明確,低頻噪聲測(cè)試分析法以其快速、簡(jiǎn)便、非破壞性等特點(diǎn),被國(guó)內(nèi)外的許多研究者認(rèn)可和采用,并已成功運(yùn)用到光電耦合器件、半導(dǎo)體激光器、基準(zhǔn)二極管等多種半導(dǎo)體器件的可靠性篩選中。 目前,國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能電池的低頻噪聲已有初步研究,而國(guó)內(nèi)在這方面的研究甚少。J.Dubow和C.Osterwald率先提出用太陽(yáng)能電池的噪聲功率譜密度作為太陽(yáng)能電池的可靠性估計(jì),但是太陽(yáng)能電池的噪聲特性未得到很好驗(yàn)證;后來(lái)Kleipenning根據(jù)PN結(jié)二極管中1/f噪聲的來(lái)源,分析了不同電流密度時(shí),太陽(yáng)能電池中1/f噪聲的來(lái)源,這為利用噪聲作為太陽(yáng)能電池的可靠性估計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的噪聲參數(shù)與其可靠性之間具有相關(guān)性。當(dāng)太陽(yáng)能電池PN結(jié)存在缺陷時(shí),噪聲的變化量遠(yuǎn)大于直流參數(shù)的變化。但是對(duì)于大電流密度下的噪聲與可靠性的關(guān)系并沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)查閱大量國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于太陽(yáng)能電池的低頻噪聲研究及其可靠性篩選方法主要存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題:1)太陽(yáng)能電池中的噪聲與可靠性的關(guān)系沒(méi)有得到明確證明;2)、目前對(duì)于太陽(yáng)能電池的噪聲可靠性篩選方法,包括測(cè)試電路設(shè)計(jì)、測(cè)試方法研究、篩選閾值的確定等還是一片空白;3)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于太陽(yáng)能電池的噪聲測(cè)試并沒(méi)有一套完整的低頻噪聲自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),不能夠?qū)μ?yáng)能電池進(jìn)行無(wú)損、快速的篩選。 因此,在太陽(yáng)能電池廣泛應(yīng)用的今天,研究太陽(yáng)能電池內(nèi)部的噪聲,通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池的低頻噪聲進(jìn)行太陽(yáng)能電池的可靠性篩選,已經(jīng)成為一個(gè)意義重大的研究課題。本文主要分析太陽(yáng)能電池的1/f噪聲與其串聯(lián)電阻的關(guān)系,明確1/f噪聲與其填充因子、轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,為將噪聲運(yùn)用到太陽(yáng)能電池可靠性篩選中提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。構(gòu)建太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試系統(tǒng),準(zhǔn)確測(cè)量太陽(yáng)能電池的低頻噪聲并進(jìn)行分析,確定太陽(yáng)能電池可靠性篩選方法。本課題所研究的內(nèi)容可以歸納為以下幾個(gè)部分。 1)明確太陽(yáng)能電池低頻噪聲與其可靠性的關(guān)系。 根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析太陽(yáng)能電池1/f電流噪聲的主要來(lái)源;分析太陽(yáng)能電池的電流功率譜及其與電流的關(guān)系以及電流功率譜與太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的關(guān)系,根據(jù)太陽(yáng)能電池I-V特性,把電流噪聲與電壓噪聲聯(lián)系起來(lái);推導(dǎo)太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻與其填充因子、轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)太陽(yáng)能電池1/f電壓噪聲與填充因子、轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系,從而明確太陽(yáng)能電池的1/f電壓噪聲與可靠性的關(guān)系。 2)太陽(yáng)能電池噪聲測(cè)試電路設(shè)計(jì)。 太陽(yáng)能電池的噪聲測(cè)試屬于微弱信號(hào)噪聲測(cè)量,針對(duì)微弱噪聲信號(hào)的測(cè)量,設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池的噪聲測(cè)試電路。測(cè)試電路要求能夠改變被測(cè)太陽(yáng)能電池兩端偏置電壓,因?yàn)椴煌钠秒妷簵l件下的噪聲值可能存在很大差異。太陽(yáng)能電池的噪聲非常小,采用雙通道低噪聲放大器進(jìn)行放大。 3)太陽(yáng)能電池噪聲可靠性篩選方法研究。 測(cè)量太陽(yáng)能電池的電壓噪聲功率譜,提取其1/f電壓噪聲有效值,分析1/f電壓噪聲有效值的正態(tài)性和頻度分布;通過(guò)測(cè)量大量太陽(yáng)能電池的噪聲,研究太陽(yáng)能電池點(diǎn)頻噪聲篩選方法和基于馬氏距離的篩選分類方法。 4)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 測(cè)試系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行太陽(yáng)能電池噪聲采集;對(duì)采集的噪聲時(shí)間序列進(jìn)行FFT變換得到其頻譜后進(jìn)行頻域分析和可靠性篩選。測(cè)試系統(tǒng)還能夠自動(dòng)保存被測(cè)器件的噪聲數(shù)據(jù)和篩選信息;能夠查找已測(cè)器件的噪聲數(shù)據(jù)和分類信息;可以打印已測(cè)器件的噪聲功率譜和測(cè)試報(bào)告。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能電池 1/f噪聲 可靠性 馬氏距離 篩選方法 虛擬儀器
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 研究意義12-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 課題研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.4 本章小結(jié)17-18
• 第2章 半導(dǎo)體器件噪聲及其與可靠性的關(guān)系18-26
• 2.1 電噪聲及其統(tǒng)計(jì)特征18-20
• 2.2 半導(dǎo)體器件內(nèi)的噪聲形成機(jī)理及其與可靠性的關(guān)系20-25
• 2.2.1 白噪聲20-21
• 2.2.2 1/f 噪聲21-23
• 2.2.3 G-R 噪聲和爆裂噪聲23-24
• 2.2.4 微等離子體噪聲24-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第3章 太陽(yáng)能電池低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)26-34
• 3.1 測(cè)試系統(tǒng)的總體構(gòu)成26-27
• 3.2 測(cè)試偏置電路27-28
• 3.3 低噪聲前置放大器28-30
• 3.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備30-32
• 3.5 本章小結(jié)32-34
• 第4章 太陽(yáng)能電池噪聲功率譜分析及其可靠性篩選方法研究34-54
• 4.1 太陽(yáng)能電池低頻噪聲測(cè)量方法34-35
• 4.2 太陽(yáng)能電池的1/f 噪聲來(lái)源及模型分析35-38
• 4.3 1/f 噪聲作為太陽(yáng)能電池可靠性指示38-40
• 4.4 太陽(yáng)能電池的電壓噪聲功率譜分析40-42
• 4.5 太陽(yáng)能電池的1/f 噪聲篩選方法研究42-46
• 4.5.1 1/f 電壓噪聲的正態(tài)性分析和噪聲頻度分布42-45
• 4.5.2 可靠性篩選判據(jù)的確定45-46
• 4.6 基于馬氏距離的可靠性篩選方法研究46-52
• 4.7 本章小結(jié)52-54
• 第5章 太陽(yáng)能電池低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)54-70
• 5.1 虛擬儀器與LabVIEW 簡(jiǎn)介54-55
• 5.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)55-58
• 5.3 數(shù)據(jù)采集與分析58-60
• 5.3.1 噪聲數(shù)據(jù)采集58-59
• 5.3.2 噪聲數(shù)據(jù)的頻域分析59-60
• 5.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)60-63
• 5.4.1 噪聲時(shí)域波形與功率譜的存儲(chǔ)61-62
• 5.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)62-63
• 5.5 數(shù)據(jù)查詢63-66
• 5.5.1 查看噪聲時(shí)域波形與功率譜63-64
• 5.5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)查找64-66
• 5.5.3 刪除數(shù)據(jù)庫(kù)表66
• 5.6 打印模塊66-68
• 5.6.1 打印器件的噪聲功率譜66-68
• 5.6.2 打印數(shù)據(jù)庫(kù)表68
• 5.7 本章小結(jié)68-70
• 第6章 總結(jié)和展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-77
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果77-78
• 致謝78

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