基于LED太陽模擬器太陽電池光譜響應(yīng)測試研究

陜西眾森電能科技有限公司 ■ 馮云峰 趙孟鋼劉皎 王水威

?

基于LED太陽模擬器太陽電池光譜響應(yīng)測試研究

陜西眾森電能科技有限公司 ■ 馮云峰 趙孟鋼*劉皎 王水威

摘 要：從原理介紹光譜響應(yīng)、量子效率和光電轉(zhuǎn)換效率3者間的關(guān)系。通過光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)對比兩種不同工藝的太陽電池的光譜響應(yīng)曲線，分析太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝與光譜響應(yīng)的關(guān)系，進一步說明光譜響應(yīng)對提高晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的作用。

關(guān)鍵詞：光譜響應(yīng)；量子效率；光電轉(zhuǎn)換效率；晶硅電池

0 引言

太陽電池光譜響應(yīng)[1-3]是評價太陽電池一個重要的參數(shù)，光譜響應(yīng)表示不同波長的光子產(chǎn)生電子-空穴對的能力。定量地說，太陽電池的光譜響應(yīng)就是當某一波長的光照射在電池表面上時，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)。太陽電池的光譜響應(yīng)可分為絕對光譜響應(yīng)和相對光譜響應(yīng)，絕對光譜響應(yīng)為單位輻照度所產(chǎn)生的短路電流和入射光波長的函數(shù)關(guān)系；相對光譜響應(yīng)則為歸一化的絕對光譜響應(yīng)。

太陽電池光譜響應(yīng)參數(shù)對指導(dǎo)太陽電池生產(chǎn)工藝及研究太陽電池結(jié)構(gòu)和性能有重要的參考價值。本文從分析太陽電池光譜響應(yīng)原理出發(fā)，利用公式推導(dǎo)說明光譜響應(yīng)、量子效率和光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系；提供一種用于測試太陽電池的電性能和光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)——LED太陽模擬器。該系統(tǒng)各項指標均達到國際水平，遠高于國際標準。通過該系統(tǒng)對比兩種不同工藝的晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)曲線，并分析光譜響應(yīng)與太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝的關(guān)系，定性地指導(dǎo)兩種電池在工藝上需進一步改善。

1 理論分析

光譜響應(yīng)(SR)是評價光電探測器件光電轉(zhuǎn)換能力的指標，也稱為入射光子與電子轉(zhuǎn)換的效率(IPCE)。太陽電池就是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電器件，所以光譜響應(yīng)也是評價其轉(zhuǎn)換效率的重要指標。

各種波長的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到太陽電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長的分布求得其對應(yīng)的短路電流的變化曲線稱為太陽電池的絕對光譜響應(yīng)。太陽電池的絕對光譜響應(yīng)是一個可直接測量的量，物理意義為單位輻照下的短路電流密度[3]，其單位為A/W。用SR1(λ)表示太陽電池絕對光譜響應(yīng)，則：

式中，Jsc(λ)為某特定波長單色光照射下短路電流密度；PI(λ)為單位面積上某特定波長入射光的能量。

如果每一波長以一定量的輻射光能或等光子數(shù)入射到太陽電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其最大短路電流比較，按波長的分布求得其比值變化曲線，稱為該太陽電池的相對光譜響應(yīng)。

測試太陽電池相對光譜響應(yīng)時，常用光譜響應(yīng)已知的太陽電池做參比電池，測試時測得待測太陽電池的短路電流與參比電池的短路電流相比來計算待測太陽電池的光譜響應(yīng)。用SR2(λ)表示待測太陽電池的光譜響應(yīng)，則：

式中，SR′2(λ)為參比電池的光譜響應(yīng)；Jsc(λ)為待測太陽電池的短路電流密度；Jsc′(λ)為參比太陽電池的短路電流密度。

光譜響應(yīng)SR(λ)亦可稱為量子效率QE(λ)或IPCE。將波長為λ的入射光能量轉(zhuǎn)換成光子數(shù)目，而電池產(chǎn)生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數(shù)，則光譜響應(yīng)可表示成每一個入射的光子能夠轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)酵獠侩娐返碾娮拥哪芰?，稱為量子效率，單位用百分比表示。

根據(jù)表面反射率的影響，量子效率分為外量子效率EQE和內(nèi)量子效率IQE。

為了對太陽電池材料參數(shù)、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等進行較好的分析和理解，經(jīng)常采用外量子效率EQE表示，單位入射光通量所產(chǎn)生并形成光電流的電子空穴對數(shù)。

式中，φ為EQE；n為電子數(shù)目；e為電子電量；s為面積，cm2；N為入射光子數(shù)。

若P表示入射光功率，則：

式中，h為普朗克常量；v為入射光頻率；λ為波長，nm。

若對式(3)和式(4)進行變換可求得外量子效率EQE：

EQE(λ)=φ%=100 × Jsc(λ) × hv(λ) λPI(λ) e

簡化后，則：

而對于常規(guī)的硅太陽電池，如果忽略在光譜范圍內(nèi)太陽電池的透射部分，則可將絕對光譜響應(yīng)用內(nèi)量子效率(IQE)表示。某一波長的光激發(fā)并形成光電流的電子空穴對數(shù)與入射到材料中該波長的光子數(shù)之比，稱為內(nèi)量子效率[4]，則：

式中，R為太陽電池的反射率；c為光速。

內(nèi)量子效率表示入射的光子未被反射且短路電流有貢獻的部分，其值表示為：

式中，αe–h為太陽電池的本征帶間吸收系數(shù)；αt為總的吸收系數(shù)；α為入射到太陽電池內(nèi)部被吸收的部分；ηc為光照后產(chǎn)生的載流子被p-n結(jié)所收集的概率。

從式(8)分析得出：內(nèi)量子效率對分析太陽電池的帶間吸收、載流子的收集概率等參數(shù)有重要作用。測量出太陽電池的光譜響應(yīng)，就可求出太陽電池的外量子效率EQE。求出EQE，再測量出太陽電池的發(fā)射，即可得出太陽電池的內(nèi)量子效率IQE。

2 測試系統(tǒng)

本文測試光譜響應(yīng)所需的系統(tǒng)采用LED太陽模擬器，該設(shè)備采用LED作為光源且單色可控，即可快速測得光譜響應(yīng)；光譜可調(diào)節(jié)、可模擬不同地區(qū)的輻照分布；脈沖寬度可調(diào)整，調(diào)整范圍為10～200 ms；另可測新型高效電池、薄膜電池及各種電池片。這款模擬器內(nèi)部定位為A+A+A+標準，各項指標均優(yōu)于國際標準(IEC 60904-9)4倍。

該設(shè)備測試用光譜響應(yīng)已知的太陽電池作為參比電池，測量待測太陽電池的短路電流密度與參比電池相比，用式(2)即得到待測太陽電池的光譜響應(yīng)。測試過程是通過上位機點擊測試，主板收到指令給燈板觸發(fā)信號，使得不同波段的LED依次被觸發(fā)閃光，待測太陽電池短路電流密度Jsc(λ)依次采集，然后將數(shù)據(jù)在軟件上顯示出光譜響應(yīng)曲線，如圖1所示。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 測試實驗結(jié)果

通過上位機軟件操作，LED光源依次閃光獲得每種LED單色光照射下參比電池和待測電池的短路電流Isc。再根據(jù)光譜儀得到每種LED單色光下的輻照度，可由式(1)和(2)計算出每種LED參比電池的光譜響應(yīng)和待測電池A、B的光譜響應(yīng)，并繪制出相應(yīng)曲線，經(jīng)過歸一化處理，結(jié)果如圖2所示，數(shù)據(jù)見表1。

表1　參比電池和待測電池A和B的短路電流、輻照度和光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)

圖3為兩種待測電池與參比電池經(jīng)由式(6)計算將圖2光譜響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成量子效率曲線。由量子效率結(jié)果可看出B電池的效率較高，主要是因為在400～800 nm波段的轉(zhuǎn)換效率高于A電池，所貢獻的短路電流密度較A電池高0.962 mA/cm2；整體上，B電池總的短路電流密度較A電池高0.012 mA/cm2。

3.2 測試分析

光譜響應(yīng)曲線反映了太陽電池各層的特性，本文A、B都為晶硅太陽電池，又因p-n結(jié)是光電轉(zhuǎn)換的核心區(qū)域[5]，p-n結(jié)的內(nèi)建電場可有效分離吸收光子產(chǎn)生的電子空穴對，所以一般轉(zhuǎn)換效率最高的波段即在p-n結(jié)的波長范圍。因此轉(zhuǎn)換效率最高的500～800 nm波長范圍，反映的是電池需要在背場工藝、背面鈍化等方向做出改進。

圖1　LED模擬器測試示意圖

圖2　待測電池A和B與參比電池的光譜響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文首先從原理上闡述了光譜響應(yīng)、量子效率和光電轉(zhuǎn)換效率3者間的關(guān)系。通過光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)(LED太陽模擬器)進行實驗，比較兩種不同工藝的太陽電池A和B的光譜響應(yīng)結(jié)果，并分析光譜響應(yīng)曲線與電池的結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)，有針對性地評價了兩種太陽電池需在工藝和結(jié)構(gòu)上進一步改進，對提高整個太陽電池的轉(zhuǎn)換效率有很大的幫助。

參考文獻

[1] Helmut M?ckel, Andrés Cuevas1. Generalized models of the spectral response of the voltage for the extraction of recombination parameters in silicon devices[J]. Journal of Applied Physics, 2005, (8): 083708-1－083708-9.

[2] Yamaguchi M, Takamoto T, Ohmori M. Analysis of the anomalous spectral response of InP solar cells induced by high fluence proton irradiation[J]. Journal of Applied Physics, 1997, 81(3): 1116－1119.

[3] Meusel M, Baur C, Létay G, et al. Spectral response measurements of monolithic GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cells: Measurement artifacts and their explanation[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 2003, 11(8): 499－514.

[4] 羅玉峰, 楊祚寶, 廖衛(wèi)兵, 等. 硅太陽電池光譜響應(yīng)測試技術(shù)研究[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報, 2012, 34(1): 66－69.

[5] 王婷婷, 戴妙妙, 卞志華, 等. 光譜響應(yīng)測試在太陽能電池中的應(yīng)用[J]. 技術(shù)創(chuàng)新, 2014, 73－75. p-n結(jié)層的特性。

從圖2可看出在400～500 nm波長范圍，光譜響應(yīng)曲線隨著波長的增加而提升，因為長波長光子的穿透能力更強，更接近p-n結(jié)面，因此轉(zhuǎn)換效率提升。800～1100 nm波長穿透到最下層的p層，光譜響應(yīng)曲線隨波長增加而快速遞減的原因有兩種：1)在800～1000 nm波長區(qū)域，波長越長，產(chǎn)生的電子空穴對就越遠離p-n結(jié)，需由擴散達到p-n結(jié)，距離p-n結(jié)越遠，在擴散到p-n結(jié)面前就被復(fù)合的概率就越高，所以800 ～1000 nm波段的光譜響應(yīng)隨著波長遞減；2)波長大于1000 nm后，入射光能量逐漸小于硅的能隙，入射光無法激發(fā)電子空穴對，所以曲線快速下降。

由圖3可看出，A電池在400～500 nm效率比B電池低，因此想要進一步提升A電池的效率，應(yīng)將抗反射層(400～500 nm)與n層(400～500 nm)擴散的工藝作為改進的方向。同時，B

通信作者：趙孟鋼(1986—)，男，碩士、光學(xué)工程師，主要從事太陽模擬器研究方向。zmg@gsola.cn

收稿日期：2015-07-28