認識太陽能電池特性量測中的 I-V 曲線

電流-電壓（I-V）曲線是太陽光電領域最基本、也最常用的量測。只要一次幾秒鐘的掃描，就能告訴您太陽能電池產生多少功率、受到什麼限制，而且往往還能看出製程中哪裡出了問題。能夠熟練判讀這些曲線，是太陽光電研究人員最有價值的技能之一。

I-V 曲線究竟是什麼

I-V 量測在概念上很簡單：在電池兩端施加電壓，量測流經電池的電流，接著改變電壓再重複一次。從略低於 0 V 掃描到略高於開路電壓，就能描繪出電池在您所提供的照光條件下完整的電氣特性。

在暗處，太陽能電池的行為就像一顆大面積二極體，其 I-V 曲線看起來就是教科書上的二極體指數曲線。照光後，光生電流會讓整條曲線向下平移：此時電池在一段電壓範圍內產生電流，而 0 V 到 Voc 之間的區段就是它產生功率的地方。如果您想了解背後的二極體方程式，PVEducation 的 I-V 曲線頁面以互動方式對這種疊加做了很好的說明。

判讀已發表的曲線時，需要留意兩項慣例：

• 正負號：發電通常以負電流表示（物理學慣例），但許多論文會將曲線翻轉，讓發電以正值呈現。兩種方式都沒問題，只要看清楚座標軸即可。
• 電流與電流密度：不同尺寸的研究用電池，會以電流除以有效面積得到的電流密度（J，通常以 mA/cm² 表示）來比較。您會看到「J-V 曲線」與「I-V 曲線」幾乎互換使用。

實務上要注意一點：要掃描整條曲線，儀器必須既能輸出電壓，又能吸收電池所產生的電流。這就是太陽能電池測試要使用電源量測單元，而非桌上型電源供應器的原因。

四項主要參數

開路電壓（Voc）

Voc 是沒有淨電流流動時的電壓，也就是曲線與電壓軸相交的點。它是電池所能產生的最大電壓，反映出半導體及其界面的品質。Voc 較高通常代表：

• 吸收層能隙匹配良好，基本損失低
• 塊材內部與表面的復合較少
• 有效的鈍化與選擇性接觸

由於復合與電壓呈指數關係，Voc 對缺陷極為敏感。如果同一批電池的 Voc 數值分散，通常表示表面處理不一致或受到汙染。

短路電流（Isc）與電流密度（Jsc）

Isc 是外加電壓為零時的電流，也就是曲線與電流軸相交的點。它取決於電池吸收了多少光，以及所產生的載子被收集的效率：

• 光強度與光譜
• 有效面積與光學損失（反射、電極遮蔽）
• 材料的吸收特性
• 載子收集效率

Jsc 是 Isc 除以有效面積，而這個除法正是結果虛高的常見來源。如果有光從您所定義的面積之外進入電池，或面積本身量得過於樂觀，您的 Jsc（以及因此算出的效率）就會偏高。請使用定義明確的孔徑遮罩，並確實量測其面積。

最大功率點與填充因子

功率等於電壓乘以電流，而在 Voc 與 Isc 之間的某處，存在一個最佳點：最大功率點（MPP），其座標為 Vmp 與 Imp。填充因子衡量的是曲線有多接近由 Voc 與 Isc 圍成的理想矩形：

FF = (Vmp × Imp) / (Voc × Isc)

從幾何上看，FF 是兩個矩形的比值：實際得到的矩形（Vmp × Imp），相對於完美「方形」曲線所能得到的矩形（Voc × Isc）。下方的動畫能讓這個概念更具體：觀察工作點移動時，輸出功率如何增加又崩落，以及工作點最後停在哪裡。

填充因子高，表示曲線一直保持平坦，到很晚才急遽下降，因此電池能在有用的電壓下輸出接近完整的電流。良好的實驗室電池，填充因子可達 0.75-0.85；若明顯低於 0.7，通常表示寄生電阻或界面問題正在吃掉您的功率（詳見下文）。如果您需要估算某個 Voc 所能支撐的最大 FF，PVEducation 的填充因子頁面提供了標準的經驗公式。

轉換效率（PCE）

效率是輸出電功率與輸入光功率的比值：

PCE = (Voc × Jsc × FF) / Pin

為了讓結果可以互相比較，電池會在標準測試條件下量測：AM1.5G 參考光譜、100 mW/cm² 的光強度、25 °C。在這些條件下，Pin 為 100 mW/cm²，計算起來相當簡單。

以下是良好的實驗室規模元件大致的數值，供您參考：

這些數值代表的是高品質研究用電池的大致水準，並非紀錄值，也不是量產模組的數值。各種太陽光電技術經認證的紀錄效率，請參閱 NREL/NLR 的 Best Research-Cell Efficiency Chart（最佳研究電池效率圖）。

寄生電阻如何讓曲線變形

實際的電池含有兩種不需要的電阻，各自以其特有的方式讓曲線變形。

串聯電阻（Rs）是電流路徑上的一切：接觸電阻、透明電極的片電阻、傳輸層與配線。它造成的電壓損失與電流成正比，因此損害集中在電壓與電流都很高的最大功率點附近。在曲線上，Rs 增加會讓 Voc 附近的「膝部」變圓，並拉低填充因子。在極端情況下，指數形狀的膝部會完全消失，曲線趨近一條直線。

並聯電阻（Rsh）代表繞過接面的漏電路徑：薄膜中的針孔、邊緣短路、刮傷，或劃線造成的損傷。健康的電池 Rsh 非常高；漏電的電池則會流失與電壓成正比的電流。在曲線上，Rsh 偏低會讓 Isc 附近的平坦區段傾斜，嚴重時也會開始拉低 Voc。

由此可得出兩條經驗法則：曲線在 Voc 附近斜率的倒數近似於 Rs，而在 Isc 附近斜率的倒數近似於 Rsh。我們的 I-V 分析工具正是使用這些估算方式。若想了解從二極體方程式出發的完整推導，PVEducation 對串聯電阻與並聯電阻都有詳細的說明。

建立直覺最好的方法就是親手試試。下方的探索工具模擬了一個寄生電阻可調整的電池；觀察每種電阻對曲線形狀、填充因子與輸出功率的影響：

請注意，即使寄生電阻相當大，Voc 與 Isc 也幾乎不會改變。損害幾乎全由填充因子承受，這也是電池表現不如預期時，首先要檢查 FF 的原因。

有一個細節值得了解：您的量測設置本身也會在電池的串聯電阻之外，額外增加串聯電阻。測試導線、探針與接頭所貢獻的電阻，可能足以讓一個健康元件的曲線明顯變形。使用四線式克耳文量測就能避免這種誤差；我們撰寫了一篇克耳文連接專題指南，說明其運作原理。

判讀曲線形狀：快速診斷指南

掌握了參數與寄生效應之後，曲線本身就成了一項診斷工具。以下是一些常見的特徵：

S 形曲線特別值得一提，因為它常讓新手困惑：曲線出現扭折，彷彿電池在 Voc 附近無法把電流送出去。這並不是電阻效應；它通常表示在某個界面上存在阻礙電荷萃取的能障，在接觸尚未達到平衡的新製有機與鈣鈦礦元件中很常見。

會破壞參數的量測陷阱

曲線變形不一定代表電池不好。以下這些量測錯誤會產生假象，看起來就像是元件本身的物理現象：

• 掃描速率與方向。內部過程緩慢的電池（最著名的就是含有可移動離子的鈣鈦礦）可能會出現遲滯：正向與反向掃描的結果不一致。請務必量測兩個方向、報告掃描速率，並對僅以單次快速反向掃描所得出的效率數字保持懷疑。Zimmermann 等人在 APL Materials 發表了一份開放取用的遲滯電池量測規範，非常值得採用。
• 未經穩定化。電池在照光與偏壓下需要一些時間才會穩定。燈一亮就立刻掃描，量到的是暫態，而不是元件本身。
• 導線電阻。如前所述：兩線式量測會把您的配線併入電池的串聯電阻。克耳文量測可以消除這個問題。
• 溫度。Voc 會隨溫度升高而下降（矽約為 -2 mV/°C），而電池在太陽光模擬器下會很快升溫。標準條件規定 25 °C 是有原因的；請為電池提供溫度控制，或至少讓它有一致的熱歷程。
• 限值（compliance）截斷。如果儀器的電流限值設定得低於電池的 Isc，曲線會在限值處被截成平坦的一段。看起來像是奇怪的元件，實際上是設定問題。

使用 miniSMU 量測 I-V 曲線

miniSMU MS01 的設計正是以這種量測為目標。以下是一份實用的入門做法：

1. 在孔徑遮罩與照光都已就位的情況下，將電池連接到任一通道
2. 將電流限值（compliance）設定為略高於預期的 Isc，讓儀器在不截斷曲線的前提下保護元件
3. 從約 -0.1 V 掃描到比預期 Voc 高出約 0.1 V 處
4. 使用內建 I-V 掃描功能，讓各點之間的時序保持一致，每次掃描最多可達 1,000 點
5. 除了快速篩選之外的任何量測，都請啟用四線式克耳文模式，以從量測中移除導線電阻

以上所有操作都可以透過瀏覽器應用程式以互動方式進行，無需安裝任何軟體；也可以透過我們的整合方案，以 Python 或 LabVIEW 撰寫指令碼。如果您希望用日常語言描述量測，讓 AI 助理為您撰寫指令碼，請參閱我們的 AI 輔助指令碼撰寫指南。

自動萃取參數

取得資料之後，您不需要試算表和尺。將您的掃描資料（CSV、TSV 或以空白分隔的格式，直接從 SMU 匯出即可）貼到免費的 I-V 分析工具，它就會偵測各欄、繪製曲線，並萃取 Voc、Jsc、FF、PCE 以及 Rs 與 Rsh 的估算值，還能匯出可直接用於發表的圖表。

延伸閱讀

本站文章：

• 為什麼克耳文連接對太陽能電池 I-V 測試很重要：從量測中消除導線電阻
• I-V 分析工具：從您的資料自動萃取參數
• EQE 分析工具：從量子效率資料計算 Jsc
• miniSMU 說明文件：完整的裝置參考資料

其他資源：

• PVEducation：由 Honsberg 與 Bowden 編寫、介紹太陽光電基礎的免費線上教科書
• NREL/NLR Best Research-Cell Efficiency Chart：自 1976 年以來各種太陽光電技術經認證的紀錄效率
• Zimmermann et al., APL Materials 4, 091901 (2016)：一份開放取用、可靠的鈣鈦礦太陽能電池量測規範