入射光波長對硅太陽能電池特性的影響

王 威， 畢江林， 孫維民， 謝 婷， 劉 博， 趙 含

(沈陽工業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院； b.信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

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入射光波長對硅太陽能電池特性的影響

王 威a， 畢江林b， 孫維民a， 謝 婷b， 劉 博a， 趙 含a

(沈陽工業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院； b.信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

為了提高硅太陽能電池的效率，研究了入射光波長對硅太陽能電池表征參數(shù)的影響。實驗中采用恒定功率的白熾燈為光源，經(jīng)過不同的濾光片后得到不同波長的光，測定了在不同波長的入射光照射下硅太陽能電池表征參數(shù)的變化。結(jié)果表明，隨入射光波長的增大，硅太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率和填充因子都逐漸增大。實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，在入射光波長436 nm時，硅太陽能電池表面的氮化硅增透膜對硅太陽能電池表征參數(shù)產(chǎn)生的影響較大。

硅太陽能電池; 入射光波長; 表征參數(shù)

0 引 言

太陽能是一種具有清潔、巨大、長久、廣泛等多種優(yōu)點的資源，已成為能源危機下人類首選的新能源之一。太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，而提高太陽能電池的效率是開發(fā)和利用太陽能的首要任務(wù)[1]。太陽能電池的效率問題一直是人們關(guān)注的重點[2-5],太陽能電池特性的測量與其開發(fā)和利用有著緊密的聯(lián)系。目前許多國家投入了大量的人力和物力對太陽能電池的特性進行研究。

在文獻[1]中，實驗使用了溴鎢燈做為光源，光柵作為選光裝置，測定硅太陽能電池的光譜響應(yīng)曲線。該實驗裝置獲得單色光的方式新穎，但裝置設(shè)計較為復(fù)雜。文獻[6]討論了光源對填充因子、短路電流和開路電壓的影響。結(jié)果表明，填充因子對光源的依賴性不強，短路電流與相對光強成線性關(guān)系，開路電壓與相對光強的自然對數(shù)成線性關(guān)系。文獻[7]中討論了光照強度和負載電阻對輸出功率的影響機制。結(jié)果顯示太陽能電池板的內(nèi)阻與光照強度成正比。目前關(guān)于入射光波長對太陽能電池特性參數(shù)的研究還尚少。

本實驗采用濾光片得到單一波長的單色光，測定不同波長的入射光對硅太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率和填充因子等表征參數(shù)的影響，分析了入射光波長和太陽能電池涂層顏色對硅太陽能電池特性影響。

1 實驗部分

太陽能電池在沒有光照時可視為一個二極管，其正向偏壓U與通過電流I的關(guān)系[8]為

(1)

式中:I0為無光照時反向飽和電流;β為一常數(shù)。當入射光子能量大于能隙時，半導(dǎo)體吸收光子，產(chǎn)生電子和空穴對。在二級管內(nèi)電場的作用下，電子和空穴結(jié)合產(chǎn)生光電流。在有光照時，太陽能電池的特性比較復(fù)雜，可簡單看作是有一理想電流源(光生電流)、一個二極管、一個并聯(lián)電阻Rs和一個串聯(lián)電阻Rsh所組成[9-11]，如圖1所示。圖中:Iph為太陽能電池在光照時等效電流源的輸出電流;Id為光照時通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律可得:

(2)

式中:I為太陽能電池的輸出電流;U為輸出電壓。

圖1 太陽能電池理想模型

當Rsh=∞、Rs=0時，輸出電流:

(3)

在短路時,有U=0，得到電路電流[12]:

(4)

而在開路,

時，可以得到開路電壓的表達式:

(5)

填充因子體現(xiàn)了太陽能電池輸出功率隨負載變動的特性，是表征太陽能電池質(zhì)量好壞的一個指標[13]，其表達式為

(6)

式中，太陽能電池的最大輸出功率

(7)

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 入射光波長對開路電壓和短路電流的影響

開路電壓是太陽能電池在兩端開路時的輸出電壓值，短路電流是太陽能電池的輸出端短路時流過兩端的電流。開路電壓與短路電流同為測量太陽能電池性能和轉(zhuǎn)化效率的基本參數(shù)。實驗時打開白熾燈，通過更換濾光片獲得5種單色光，波長分別為：λ=365,405,436,546,577 nm。分別測定在5種單色光照射下的開路電壓和短路電流。作出太陽能電池開路電壓和短路電路與入射光波長的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 開路電壓和短路電流與入射光波長的關(guān)系曲線

由圖2可知，當入射光波長436 nm時,開路電壓和短路電流值均為最小;入射光波長577 nm時的開路電壓和短路電流最大。理論上，硅太陽能電池的光譜響應(yīng)范圍在0.4～1.1 μm，其光譜響應(yīng)的最大值在0.8～0.95 μm[14]。在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)，光譜響應(yīng)隨入射光波長的增大而增大。因此，入射光波長577 nm時的開路電壓和短路電流最大。在入射光波長436 nm時開路電壓和短路電流最小是因為實驗中使用的太陽能電池板表面涂有主要成分為氮化硅的增透膜。從表面上看顯藍色，而當入射光為藍光時，太陽能電池板對藍光的反射作用比較強，因此在藍光照射下，開路電壓和短路電流也就比較小。

太陽能電池伏安特性曲線常被用來研究硅太陽能內(nèi)阻的變化規(guī)律，涉及太陽能運用中系統(tǒng)集成和電路穩(wěn)定性等多方面因素。實驗時改變電阻箱的阻值，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線,就得到太陽能電池的伏安特性曲線，如圖3所示。

由圖3可知，不同波長入射光照射下，隨著負載阻值的增大，太陽能電池的輸出電壓逐漸增大，回路中的電流逐漸減小，并且太陽能電池的內(nèi)阻也逐漸增大。

2.2 入射光波長對Pm的影響

太陽能電池的最大輸出功率是直接影響太陽能電池能量有效利用的重要參數(shù)之一。圖4是太陽能電池最大輸出功率隨入射光波長變化的關(guān)系曲線。

圖3 太陽能電池的伏安特性曲線

圖4 最大輸出功率與入射光波長的關(guān)系曲線

由圖4可知，當入射光波長增大時，最大輸出功率先增大后減小，然后再增大。

太陽能電池有效利用的能量是激發(fā)電子-空穴對的能量。隨入射光波長的增大，晶格振動損耗的能量逐漸減小，光子能量利用率逐漸提高。因此，太陽能電池最大輸出功率隨波長的增大而增大。當入射光波長365 nm時，不在其頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，因此當入射光波長365 nm時，太陽能電池的輸出功率較小。

本實驗中使用的太陽能電池表面涂有藍色的氮化硅膜，對波長為436 nm的藍光反射作用較強。因此，在入射光436 nm時太陽能電池的輸出功率較小。

2.3 入射光波長對負載和填充因子的影響

填充因子FF是指太陽能電池最大功率和開路電壓與短路電流乘積的比值，是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高[15]。圖5是填充因子與入射光波長的關(guān)系曲線圖。

圖5 填充因子與入射光波長的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨入射光波長增大，填充因子先增大后減小，然后再增大。由于365 nm的入射光不在硅太陽能電池的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)，所以入射光波長365 nm時，填充因子較小。太陽能電池表面涂有藍色的氮化硅膜對波長為436 nm的藍光反射作用較強導(dǎo)致在入射光為436 nm時太陽能電池的填充因子較小?？傮w上，隨入射光波長的增大，光子能量利用率逐漸提高，填充因子也逐漸增大。

3 結(jié) 語

對太陽能電池的輸出特性的研究是提高太陽光利用率的關(guān)鍵所在。入射光的波長是影響太陽能電池的輸出特性重要因素之一。本文討論了入射光波長對硅太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率及填充因子等表征參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，入射光波長較長時，有助于硅光電池獲得更大的輸出功率和填充因子，而硅光電池表面涂層的顏色對硅光電池的表征參數(shù)也會有較大的影響。

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Influence of Wavelength of Incident Light on the Characteristics of Si Solar Cells

WANGWeia,BIJiang-linb,SUNWei-mina，XIETingb,LIUBoa,ZHAOHana

(a. School of Science； b. School of Information Science and Technology，Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China)

Si solar cell is one of the most widely used for photovoltaic cells. In this paper, the effect of the incident light’s wavelength on the characteristic parameters of Si solar cells was studied to improve its efficiency. In the experiment, the constant power’s incandescent lamp was selected as a light source to get different wavelengths’ light through different filters. The changes of Si solar cells’ characterization parameters were determined in a different wavelengths’ incident light. The results show that the open-circuit voltage, short-circuit current, maximum output power and fill factor increase gradually with the increase of the incident light. Moreover, when the incident light’s wavelength was 436 nm, silicon nitride anti-reflection film on the Si solar cells’ surface had a greater impact on Si solar cells’ characteristic paramters. The experimental results basically coincided with theoretical analysis.

Si solar cells; wavelength of incident light; characterization paramters

2015-01-04

遼寧省普通高等學(xué)校本科實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目(S201144)；沈陽工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革重點項目(2011-35)；沈陽工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(甲類)

王 威(1978-)，男，遼寧遼陽人，講師，現(xiàn)主要從事大學(xué)物理和演示實驗教學(xué)研究。

Tel.：13998204589；E-mail:ww9803@126.com

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1006-7167(2015)10-0044-03