CN106849873A - 太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置，所述方法包括：获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的1/f噪声幅值B；获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；基于J_sc和J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′‑J_sc；以噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程；利用无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。本发明能够实现在对太阳能电池无损坏的前提下，进行对元器件准确、高效的抗辐照能力的测试筛选。

Description

太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置。

背景技术

目前，太阳能电池作为空间能源系统，被广泛应用于航天等特殊环境；同时由于太阳能电池必须曝露在外面，故在接受宇宙射线、Van Allen带和太阳等离子气的辐射时，很容易退化甚至失效，从而导致系统不稳定甚至系统失效；因此为了保证进入太空的太阳能电池具有较好的抗辐射性能，太阳能电池在使用前都需要进行抗辐照能力测验，以筛选出抗辐照能力较强的太阳能电池，保证其工作时的稳定性和可靠性。

现有的太阳能电池测试筛选方法主要有两种：“辐照-退火”方法和多元回归分析法；其中，辐照-退火筛选方法以试验测试为主，首先对待筛选器件进行额定剂量的辐照，然后选择一种或者几种灵敏电参数，在两小时内完成对选取的参量进行测试和分析，筛选掉不符合要求的器件。接着进行50％额定剂量的辐照；接着加压退火后再次进行电测试；筛选出合适的器件。具体过程如图1。该方法存在有两方面的局限性：一是检测成本高，不利于及时反馈信息，从而延长了研制和生产周期；二是检测本身常常具有破坏性，即最后筛选出的器件都经过了辐照，使器件寿命本身已经降低。现有技术中的多元回归分析方法的技术难点是如何选择敏感的信息参数，既可以实现辐照前的抗辐照能力预测，又与器件的微观损伤紧密联系，通常的做法是选用辐照前的短路电流作为信息参数，辐照后的短路电流漂移作为辐射性能参数此种方式并没有选取与器件缺陷变化关系密切的信息参数，导致了回归预测方程的不够精确，最终导致了太阳能电池在空间应用时的失效率很高，致使航天器不能正常运行工作。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法，包括：

获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的l/f噪声幅值B；

获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

对数据进行预处理，以所述噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量

其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：

其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁B_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^T为X的转置；为的转置矩阵；

利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：

所述获取随机子样太阳能电池噪声幅值B包括：

设置太阳能电池的输出电压和负载条件；

在太阳能电池的输出端引出噪声信号，并进行低噪声的前置放大；

将放大后的噪声信号传输给数据采集卡；

通过计算机软件计算并提取数据采集卡采集的数据，得到噪声幅值B。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：

所述利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选，包括：

获取待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B；

基于所述待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B和回归预测方程得到此太阳能电池的短路电流漂移预测值；

将所述预测值和此批太阳能电池的短路电流漂移容限进行比较，如果此预测值在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之内，则确定此太阳能电池为合格产品；反之，如果得到的预测值落在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之外，则确定此太阳能电池为不合格产品。

第二方面，本发明实施例提供了一种太阳能电池抗辐照能力无损筛选装置，包括：

第一获取单元，用于获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的l/f噪声幅值B；

第二获取单元，用于获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

计算单元，基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

线性回归方程建立单元，用于以所述噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

无损筛选回归预测方程建立单元，用于建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁β_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^T为X的转置；为的转置矩阵；

测试单元，用于利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。

本发明实施例所提供的方法以及装置，能够实现在对太阳能电池无损坏的前提下，进行对太阳能电池抗辐照能力进行测试，进而实现对太阳能电池准确、高效的筛选出抗辐照能力强的元器件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有技术中“辐照-退火”方法流程示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法的方法流程示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的噪声幅值B的测量采集装置的结构示意图

图4示出了本发明实施例所提供的一种太阳能电池抗辐照能力无损测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应用于航天等特殊环境中的太阳能电池会受到宇宙射线、太阳等离子气的辐照，很容易退化甚至失效，因此在太阳能电池在进入航天系统使用前，需要进行检验和筛选；现有技术中，对太阳能电池的测试筛选方法主要有两种：“辐照-退火”方法和多元回归分析法；其中，“辐射-退火”方法的缺点是最后筛选出的器件都经过了辐照，器件寿命本身已经降低。采用多元回归分析方法的关键是选取辐照前的敏感参数，对辐照后器件性能参数进行预估。前者的敏感参数称为信息参数，想要预估的辐照后器件性能参数称为辐射性能参数。即对同一工艺制造出来的器件，通过对一定数量随机样品进行辐照试验，找出信息参数和辐射性能参数之间的函数关系，进而实现对未辐照器件的筛选；现有技术的做法是选用辐照前的短路电流作为信息参数，辐照后的短路电流漂移作为辐射性能参数，该方法得到的回归预测方程的不够精确，最终导致了太阳能电池在空间应用时的失效率很高，致使航天器不能正常运行工作；进一步的，太阳能电池中的l/f噪声主要是基区复合中心作用的结果，且辐照前的l/f噪声电压功率谱幅值与辐照诱发的复合中心导致短路电流漂移量之间存在正比关系，这从微观机制上揭示了太阳能电池辐照损伤的原因，噪声幅值的变化直接反映器件中的缺陷状态；基于此，本发明实施例所提供一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法及装置，以做到在对太阳能电池无损伤的前提下，通过使用噪声幅值这一参数进行回归分析，提高测试准确度，以保证被筛选太阳能电池元器件的可靠性。

下面通过具体实施例进行对本发明技术方案的详细介绍。

如图1所示，本发明实施例提供了一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法，包括如下步骤：

S201、获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的l/f噪声幅值B；

进行上述步骤中之前，首先需从一批太阳能器件的抽样母体中按照简单随机抽样原则抽取n个随机子样，n大于等于20，优选地抽取20-30个随机子样，测量这些随机子样辐照前短路电流J_sc和输出电压处的l/f噪声幅值B，并记录测试条件；

S202、获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

需要说明的是，上述辐照实验的辐照的剂量率和总剂量要根据具体太阳能电池额定辐照剂量来设定，为了模拟空间辐照环境，优选地，剂量率设置在50到300rad(Si)/s之间。对该辐照后的随机子样器件输出光功率退化量ΔP_out的获取采用常规手段进行，但要限制在辐照后两个小时之内完成测量，以免器件退火严重影响测试结果。

S203、基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

S204、对数据进行预处理，预处理包括：进行数据筛选，用数理统计中的假设检验方法分别检验辐照前和辐照后测量数据是否服从正态分布，并剔除异常数据；以所测量输出电压处的l/f噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量

其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

进一步的，通过以下方式计算线性回归方程中的系数向量

步骤1、将多元线性回归方程进一步展开为：

其中，ΔJ_sc1、ΔJ_sc2、…、ΔJ_scn为第1、2、…、n个随机子样辐照后短路电流漂移量；

B₁、B₂、…、B_n为第1、2、…、n个随机子样的辐照前噪声幅值B；

β₀为常数项、β₁为噪声幅值B的系数；

ε₁、ε₂、…、ε_n为第1、2、…、n个随机子样线性回归方程的残差；

步骤2、利用最小二乘估计法估计信息参数的系数向量为：

X^T为X的转置矩阵。

S205、建立信息参数B和辐射性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：

其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁B_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^T为X的转置；为的转置矩阵；

在给定的1-α置信度下，待筛选太阳能电池信息参数向量其中B_k为待筛选器件实测l/f噪声幅值，则其辐照后短路电流漂移量的无损筛选回归预测值为：

其中：t(1-α/2，(n-2))是自由度为n-2，分位点为1-α/2的t分布

MSE定义如下：

SSE为方差平方和， 为的转置

S206、利用上述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。

进一步的，利用无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选，包括：

获取待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B；

基于待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B和回归预测方程得到此太阳能电池的短路电流漂移预测值；

将上述预测值和此批太阳能电池的短路电流漂移容限进行比较，如果此预测值在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之内，则确定此太阳能电池为合格产品；反之，如果得到的预测值落在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之外，则确定此太阳能电池为不合格产品；其中，太阳能电池的短路电流漂移容限根据具体空间应用来确定。

示例性的，对于型号为2CR61的太阳能电池，短路电流的允许范围是40～65mA，首先测量待筛选太阳能电池的噪声电压功率谱幅值，按照上述第二步的说明和此器件的说明书，噪声电压功率谱幅值测量条件设定如下：

外界条件：光强100mW/cm2，30℃

输出电压：400mV

把待筛选太阳能电池的噪声幅值测量值带入回归预测方程，得到其短路电流的预测值；如果短路电流的预测值在40～65mA这个范围内，则认为该太阳能电池符合要求，可以被选用；如果短路电流的漂移的预测值超出这个范围，则认为该太阳能电池不符合要求，即被筛选掉。

本发明实施例所提供的筛选方法与现有的太阳能电池抗辐照能力无损检验方法相比，具有以下优点：

本发明与现有的太阳能电池筛选方法相比，具有以下优点：

1、由于筛选出来的太阳能电池是未经过辐照的，属于“无损筛选”，因此筛选过程不会减少器件寿命。

2、由于选用的信息参数涵盖了太阳能电池接受辐照时，短路电流漂移的主要产生因素，故筛选准确度高。

3、由于只需测量待筛选器件的一个参数，筛选周期短，方法简单，费用较低，所以可广泛应用于航空航天等辐射环境下的器件筛选。

需要说明的是，上述短路电流的测量可以采用现有技术中常规的测试方法；由于电子器件的低频噪声十分微弱，要能有效地检测这种噪声，测试系统必须具有足够高的灵敏度，为此，本发明实施例中采用如图3所示的噪声幅值测试系统对噪声幅值进行测试，该系统包括：电源、太阳能电池适配器、偏置器、低噪声前置放大器、数据采集与分析系统，其中，太阳能电池适配器和偏置器主要是根据待测器件噪声测试的具体要求，提供偏置电压、偏置电流、源电阻，使之处于相应的测试状态。待测的噪声信号经过前置放大器和数据采集卡被送至数据采集与分析系统的微机进行数据的分析处理、存储和打印输出。为了实现信号实时、快速、准确的采集，采用DAQ2010数据采集卡，其最大采样速率为2MHz，以保证l/f噪声测试频率范围；其量化精度为14bit，以保证测试精度和动态范围；具体测量过程如下：

首先，设置太阳能电池的输出条件，输出电压选为400mV，这时太阳能电池功率较大；

接着，在太阳能电池的输出端引出噪声信号，并进行低噪声的前置放大；

然后，将放大后的噪声信号传输给数据采集卡；

最后，通过计算机软件计算并提取数据采集卡采集的数据，得到噪声幅值B。

如图4所示，本发明实施例提供了一种太阳能电池抗辐照能力无检验选装置，包括：

第一获取单元410，用于获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的l/f噪声幅值B；

第二获取单元420，用于获取随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

计算单元430，基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

线性回归方程建立单元440，用于以所述噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

无损筛选回归预测方程建立单元450，用于建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁B_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^T为X的转置；为的转置矩阵；

测试单元460，用于利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法，其特征在于，包括：

获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的1/f噪声幅值B；

获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

对数据进行预处理，以所述噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量

其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：

其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁B_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^l为X的转置；为的转置矩阵；

利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法，其特征在于，所述获取随机子样太阳能电池噪声幅值B包括：

设置太阳能电池的输出电压和负载条件；

在太阳能电池的输出端引出噪声信号，并进行低噪声的前置放大；

将放大后的噪声信号传输给数据采集卡；

通过计算机软件计算并提取数据采集卡采集的数据，得到噪声幅值B。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池抗辐照能力无损检验方法，其特征在于，所述利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选，包括：

获取待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B；

基于所述待筛选太阳能电池输出电压处的噪声幅值B和回归预测方程得到此太阳能电池的短路电流漂移预测值；

将所述预测值和此批太阳能电池的短路电流漂移容限进行比较，如果此预测值在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之内，则确定此太阳能电池为合格产品；反之，如果得到的预测值落在此类太阳能电池的短路电流漂移容限之外，则确定此太阳能电池为不合格产品。

4.一种太阳能电池抗辐照能力无损筛选装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于获取随机子样太阳能电池辐照前短路电流J_sc和输出电压处的1/f噪声幅值B；

第二获取单元，用于获取所述随机子样太阳能电池的经过辐照实验后的短路电流J_sc′；

计算单元，基于所述J_sc和所述J_sc′，计算短路电流漂移量ΔJ_sc＝J_sc′-J_sc；

线性回归方程建立单元，用于以所述噪声幅值B作为信息参数，以短路电流漂移量ΔJ_sc作为辐照性能参数，建立噪声幅值B和ΔJ_sc之间的多元线性回归方程并计算线性回归方程中的系数向量其中，X为信息参数B构成的矩阵，是残差，系数向量的展开式为

无损筛选回归预测方程建立单元，用于建立信息参数B和辐照性能参数ΔJ_sc之间的无损筛选回归预测方程：其中，ΔJ_sck＝β₀+β₁B_k为测量值对应的短路电流漂移量的预测值，t(1-α/2，(n-2))是置信度为1-α的t分布，其中，为残差；为的转置；X^T为X的转置；为的转置矩阵；

测试单元，用于利用所述无损筛选回归预测方程，测试单个太阳能电池的抗辐照性能，对同批太阳能电池进行筛选。