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各位追光的伙伴们，大家好！欢迎来到本期“追光小课堂”～ 作为光伏人，我们总在和太阳能电池的性能打交道，而要评判一块电池的“实力”，IV曲线绝对是绕不开的核心测试。你是否好奇：开路电压Voc、短路电流Isc这些关键参数从哪来？最大功率点Pmax又是如何精准定位的？
其实答案就藏在四象限源表的“硬核操作”里——我们可以将太阳能电池看作一个光电转换的二端口器件，这款兼具电源与电流表功能的测试仪器（Source-Measure Unit，简称SMU），能在电压模式与电流模式间灵活切换，通过实时采集数据绘制出完整的电流-电压（I-V）曲线，Voc、Isc等核心参数也都由此提取。
今天咱们就从头到尾拆解清楚，看看它到底是如何画出太阳能电池“性能画像”的！
太阳能电池工作原理（光伏效应）
激入射光子若能量
大于半导体的禁带宽度
，即可在吸收层（如 Si、CdTe、CIGS、Perovskite）产生电子-空穴对。
p-n 结或异质结形成内建电场（方向由 p 向 n），将生成的电子向 n 区、空穴向 p 区驱动，实现空间分离。
当电路闭合时，电子经外部负载返回至 p 区，形成 光生电流
。在开路时，内部电场把载流子堆积产生 开路电压
。
等效电路模型
常用 单二极管模型：
其中 为串联电阻、
为并联电阻。
四象限源表可以直接测出 实际 I-V 曲线，随后通过曲线拟合提取模型参数。
四象限源表的基本原理与功能
象限 | 输出/测量 | 说明 |
I ( +V, +I ) | 正向电压、正向电流 | 常规电源模式（给电池加正向偏置） |
II ( –V, +I ) | 负电压、正向电流 | 反向电压驱动（暗场测试可测反向泄漏） |
III ( –V, –I ) | 负电压、负向电流 | 电池发电（光生电流）时的 “源” 角色 |
IV ( +V, –I ) | 正电压、负向电流 | 此时仪器吸收功率。例如：测试太阳能电池（电池产生电流，被源表吸收）。 |
首先，理解“四象限”是理解整个原理的核心。
关键点： 四象限源表的强大之处在于它不仅能提供功率（充当源），还能吸收功率（充当负载），并且在这两种模式下都能进行精确的电压和电流测量。
用四象限源表测 I-V 曲线的完整流程
光源/光照模拟：采用 太阳模拟器（AM1.5G、100 mW cm⁻²）或 LED 恒流源。校准光强（通常用 光功率计）到 1 sun = 100 mW cm⁻²。若要测不同光强，请记录每一步的光强值。
温度控制：太阳能电池的 I-V 曲线对温度极敏感（≈ -0.3 %/°C 影响 Voc）。使用 热台（Thermostated stage） 或 环境温度计，并记录温度。
线缆与连接：采用 低阻抗四线测量（Kelvin 连接）或 屏蔽线，避免因接触电阻导致的误差。连接方式：
– 正极 → SMU 电压正端（+V）
– 负极 → SMU 电压负端（V）
– 测量电流 采用同一路径（SMU 内部自动回路）。
仪器初始化：设定 SMU 的 电压范围（±Vmax）、电流测量范围（±Imax），并开启 四象限保护（防止意外正/负过载）和 自动校准（零点、偏置校准）。
安全检查：确认光源已接地、SMU 防护阈值（如 210 V、1 A）高于样品工作范围，以免触发过压/过流保护。
打开光源，调至 1 sun，确认光功率计读数在 1000 ± 2 W/ m² 区间。
温度：确保恒温平台已稳定在目标温度（如 25 °C）。
启动 SMU 扫描 （小于0V 到大于VOC） 。
实时监控：在 PC 软件（如 Keithley KickStart、Keysight BenchVue）中绘制 I-V 曲线，检查是否出现异常跳变（可能是光源闪烁或接触不良）。
完成后：立即记录 光强 G、温度 T、扫描速率（步长 + 停留时间），保存数据。
可选：在同一光照条件下进行 两次往返扫描（0 → Vmax → 0），比较正向与反向曲线，评估 滞后效应。
可得到Isc，Uoc，Pmpp（最大功率点功率），Impp，Vmpp，RshuntLf，ResrLf。其中，RshuntLf（亮场并阻）通过设定IV曲线上Isc附近两点作为线性回归计 算范围，然后求取 ；同理，RserLf（亮场串阻）通过设定IV曲线上Uoc附近两点作为线性回归计算范围，然后求取
。
关闭光源（或把光源遮光幕全闭）
设置：保持同样的电压扫描参数（-xx V → 1.2 × 预计 Voc）
执行：运行一次完整的扫描，记录 暗 I-V 曲线（用于评估暗饱和电流、串/并联电阻）
评估 漏电流 (I₀） 与 并联电阻
检查 仪器零点漂移（暗电流应接近 0 A）
四象限源表的优势
与使用独立电源和万用表的传统方法相比，四象限源表具有显著优势：
一体化与精度： 消除了系统接线和不同仪器间的误差，测量精度更高。
无缝扫描： 能够平滑、快速地从提供功率（如给电池加反向偏压做暗态测试）切换到吸收功率（光照测试），无需更改接线。
强大的吸收能力： 可以稳定地吸收电能，模拟真实的负载，即使在最大功率点附近也能保持电压稳定，避免因负载不稳定导致的测量误差。
四线制（Kelvin）测量： 使用Sense线直接测量电池两端的电压，消除了测试线缆和接触电阻的压降，保证了电压控制的准确性。
总结
使用四象限源表测试太阳能电池IV曲线的原理可以概括为：
利用四象限源表在第二象限的工作能力，通过精确地输出一个从0V到Voc的扫描电压，作为可编程负载来“吸收”太阳能电池在不同工作点下产生的电流，并同步测量电压和电流值，从而快速、准确地绘制出完整的IV特性曲线，并得到所有关键性能参数。
这种方法高效、精确，是太阳能电池研究和制造领域的标准测试方法。
