太陽(yáng)電池光電靈敏度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

於黃忠

（1.華南理工大學(xué)a.物理系；b.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

1 引 言

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮娜找嬖黾?，石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)能源已經(jīng)不能滿足人類(lèi)發(fā)展的需要，對(duì)再生能源的有效利用成為亟待解決的問(wèn)題.在各種可再生的能源中，太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭的能源[1－3].太陽(yáng)電池日益受到人們的關(guān)注，并被廣泛地研究.

光電靈敏度反映太陽(yáng)電池對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的光電轉(zhuǎn)化程度.光電靈敏度曲線可以反映太陽(yáng)電池中活性層材料對(duì)入射太陽(yáng)光的吸收范圍及強(qiáng)度，故太陽(yáng)電池光電靈敏感度的測(cè)量是研究太陽(yáng)電池的有效方法之一[4].但目前市場(chǎng)上沒(méi)有現(xiàn)成的太陽(yáng)電池光電靈敏度測(cè)量?jī)x，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)、外有條件的實(shí)驗(yàn)室都是根據(jù)自己的需要而自行搭建.本論文論述了本實(shí)驗(yàn)室自行搭建的太陽(yáng)電池光電靈敏度測(cè)量?jī)x的原理，并用光電靈敏度測(cè)量?jī)x測(cè)出了共混體系太陽(yáng)電池的光電靈敏度曲線.

2 儀器的設(shè)計(jì)及原理

薄膜太陽(yáng)電池的不同薄膜活性層具有不同的光譜響應(yīng)范圍，在一定波長(zhǎng)的入射光照射下，太陽(yáng)電池的光電靈敏度與薄膜的吸收特性密切相關(guān).光電靈敏度是反應(yīng)器件對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的響應(yīng)程度.光電靈敏度測(cè)量?jī)x構(gòu)成見(jiàn)圖1.

圖1 光電靈敏度測(cè)量?jī)x的構(gòu)成

在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常使用模擬太陽(yáng)光源，出射光譜被設(shè)計(jì)成能夠很好地與AM1.5太陽(yáng)輻射光譜相吻合.模擬太陽(yáng)光源由功率為100W的氙燈為主要組成部分.氙燈輻射光譜從200～2 000nm有平滑連續(xù)的輻射輸出，為了得到AM1.5的模擬太陽(yáng)輻射光，在燈的輻射光前加濾光片.在一定高壓下，氙燈發(fā)出較強(qiáng)的白光，經(jīng)濾光片后，出射光在200～1 600nm之間非常接近AM1.5太陽(yáng)輻射光譜.通過(guò)調(diào)節(jié)被測(cè)太陽(yáng)電池與光源的距離，使得到達(dá)太陽(yáng)電池光強(qiáng)為100mW／cm2，該光譜再經(jīng)過(guò)斬波器進(jìn)行一定頻率的斬波（斬波的主要目的是讓鎖相放大器能接收到一定頻率和一定相位的信號(hào)），這樣便可有效地減少來(lái)自其他頻率的光信號(hào)的干擾.經(jīng)斬波后的光進(jìn)入電動(dòng)單色儀，電動(dòng)單色儀中有干涉分光光柵，分光光柵把入射的混合光分解成單色光，故入射的白光經(jīng)過(guò)電動(dòng)單色儀射出的是各種波長(zhǎng)的單色光，波長(zhǎng)范圍在200～1 600nm間.出射單色光照在太陽(yáng)電池表面上，被太陽(yáng)電池活性層吸收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)生某一頻率的光生電流.光生電流經(jīng)適當(dāng)運(yùn)放后，轉(zhuǎn)換為某一頻率的光生電壓信號(hào)，然后由鎖相放大器接收、放大，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集讀出該信號(hào).不同頻率的單色光照在太陽(yáng)電池表面上，由于活性層對(duì)不同頻率光的吸收程度不同，將產(chǎn)生不同強(qiáng)度的光生電流信號(hào)，出現(xiàn)不同強(qiáng)度的數(shù)值.以入射光的波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，光生電流信號(hào)為縱坐標(biāo)，繪制太陽(yáng)電池光電靈敏度曲線.電動(dòng)單色儀與鎖相放大器的工作過(guò)程均由微型計(jì)算機(jī)控制，這樣使得電動(dòng)單色儀在一段時(shí)間內(nèi)分出連續(xù)的各種不同波長(zhǎng)的單色光.同時(shí)，在計(jì)算機(jī)的控制下，鎖相放大器獲得該連續(xù)波長(zhǎng)段相應(yīng)光生電壓信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)軟件繪出相關(guān)圖譜.

測(cè)量時(shí)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面中設(shè)置測(cè)量所需起、始的波長(zhǎng)分別為300nm和800nm，步進(jìn)波長(zhǎng)間隔為1nm，鎖相放大器的工作頻率為25Hz.先測(cè)標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)電池的電信號(hào)強(qiáng)度VSi，再換上被測(cè)太陽(yáng)電池，單個(gè)太陽(yáng)電池的面積0.15cm2，測(cè)出經(jīng)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)化的電信號(hào)強(qiáng)度VDvice.太陽(yáng)電池的光電靈敏度是器件對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)程度，是將在模擬太陽(yáng)光照射下太陽(yáng)電池測(cè)量的電信號(hào)強(qiáng)度VDvice除以標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)電池電信號(hào)強(qiáng)度VSi，再乘以標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值PSSi，即：PS＝PSSiVDvice／VSi.標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值PSSi由標(biāo)準(zhǔn)硅太陽(yáng)電池廠家提供.

3 數(shù)據(jù)分析

圖2為不同比例的高分子材料聚噻吩（P3HT）與C60的衍生物PCBM共混體系薄膜為活性層的太陽(yáng)電池光電靈敏度曲線，圖3為P3HT∶PCBM共混體系薄膜的紫外－可見(jiàn)光吸收曲線.從圖2和圖3可知器件的光電轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在350～660nm波長(zhǎng)段，而紫外－可見(jiàn)光譜吸收主要在340nm處及450～650nm范圍內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)PCBM材料及P3HT材料的吸收[7－8].太陽(yáng)電池的光電靈敏度曲線的峰值位置與其紫外－可見(jiàn)光譜吸收峰的位置大約對(duì)應(yīng)，這說(shuō)明了材料的吸收是太陽(yáng)電池光電靈敏度譜線的主要來(lái)源.但這2種曲線又不完全對(duì)應(yīng)，也說(shuō)明了太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換不僅與材料的吸收有關(guān)系，也與太陽(yáng)電池中的光生電荷的分離、傳輸及收集有關(guān).從圖2和圖3中還能夠得出不同質(zhì)量比例的P3HT與PCBM，其光電靈敏度曲線與紫外－可見(jiàn)光譜吸收峰不同.當(dāng)P3HT與PCBM的質(zhì)量比值為2∶1時(shí)，在圖3紫外－可見(jiàn)光譜中，對(duì)應(yīng)P3HT的吸收段450～650nm強(qiáng)于比值為1∶1時(shí)的強(qiáng)度，而340nm處的吸收峰變?nèi)?這是因?yàn)镻3HT與PCBM的質(zhì)量比為2∶1的薄膜體系中，P3HT的成份較多，對(duì)應(yīng)的PCBM含量較少.而圖2中P3HT與PCBM質(zhì)量比值為1∶1時(shí)，太陽(yáng)電池光電靈敏度曲線具有較高的峰值.這是因?yàn)槠骷墓怆娹D(zhuǎn)換由材料的吸收，光生電荷的分離、傳輸及收集等因素決定，當(dāng)P3HT與PCBM質(zhì)量比例為2∶1的共混體系中，雖然太陽(yáng)電池中P3HT含量較多，太陽(yáng)光的吸收較強(qiáng)，但此時(shí)的P3HT與PCBM共混體系中，受體材料PCBM含量較少，光生電荷不能很好地分離與傳輸，從而造成太陽(yáng)電池中光生電荷復(fù)合增大，不能夠有效地轉(zhuǎn)換成光生電流.而在P3HT與PCBM質(zhì)量比例為1∶1體系中，給體材料P3HT與PCBM能很好地共混，光生電荷在其有效的壽命內(nèi)有效地分離，被分離的正、負(fù)電荷分別在P3HT與PCBM互連網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)礁髯缘碾姌O，從而產(chǎn)生光生電流.

圖2 P3HT與PCBM共混太陽(yáng)電池的光電靈敏度曲線

圖3 P3HT∶PCBM共混體系薄膜的紫外－可見(jiàn)光吸收曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

論述了太陽(yáng)電池光電靈敏度測(cè)量的原理及設(shè)計(jì)，并用自行設(shè)計(jì)的光電靈敏測(cè)試儀測(cè)出了不同比例的P3HT∶PCBM共混體系聚合物太陽(yáng)電池的光電靈敏度.結(jié)果表明，自行設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池光電靈敏度儀器能夠很好地測(cè)出聚合物太陽(yáng)電池光電靈敏度，并對(duì)不同質(zhì)量比的共混體系太陽(yáng)電池靈敏感度曲線進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，重復(fù)性好.

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