不同光譜響應(yīng)太陽(yáng)能電池測(cè)試差異性研究

王少熙，杜幸芝，樊曉椏

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不同光譜響應(yīng)太陽(yáng)能電池測(cè)試差異性研究

王少熙，杜幸芝，樊曉椏

（西北工業(yè)大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，西安 陜西 710072）

目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池種類(lèi)繁多，不同電池具有不同的結(jié)構(gòu)、工藝、材料摻雜等；此外，太陽(yáng)能模擬器還不盡完善。因此導(dǎo)致采用太陽(yáng)能模擬器進(jìn)行太陽(yáng)能電池測(cè)試具有較大差異性。本文首先選取P型電池，HIT電池，IBC電池為研究對(duì)象，建立五參數(shù)模型，評(píng)估各種不同類(lèi)型及不同結(jié)構(gòu)電池在AM1.5下的響應(yīng)特性，得出了電流與輻照度呈明顯的正線性關(guān)系，功率與輻照度大致成正線性關(guān)系；其次改變輻照度參數(shù)值，評(píng)估同一結(jié)構(gòu)電池在不同太陽(yáng)能模擬器光譜下的響應(yīng)特性，得出外量子效率和內(nèi)量子效率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律；此外分析仿真平臺(tái)的適應(yīng)性以及根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算短路電流和輻照度相關(guān)系數(shù)。

太陽(yáng)能電池；光譜響應(yīng)；測(cè)試；輻照度；量子效應(yīng)；差異性

隨著石化資源的逐年減少以及日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞，清潔可再生能源成為人類(lèi)尋找的替代品。在此背景下太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛，1990~1996年，全球太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量以12%左右速度增長(zhǎng)。1997~2010年，年產(chǎn)量以40%左右速度增長(zhǎng)。在2015年產(chǎn)量已經(jīng)高達(dá)141 585 MW。太陽(yáng)能電池的效率由最開(kāi)始的百分之幾到百分之十幾再到現(xiàn)如今的24%左右[1]。如今，市場(chǎng)上光伏電池種類(lèi)繁多，主要類(lèi)型有以下幾種：傳統(tǒng)的P型電池、N型電池、背鈍化電池、HIT電池以及IBC電池。

然而如何對(duì)電池相關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，從而對(duì)其性能進(jìn)行綜合分析變得至關(guān)重要。目前常規(guī)是利用太陽(yáng)能模擬器盡可能地模擬AM1.5光譜，并對(duì)其電性能進(jìn)行評(píng)測(cè)。但是，不同的太陽(yáng)能模擬器的光譜不相同，并受升溫等因素的影響。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能模擬器為閃光模擬器，閃光的時(shí)間長(zhǎng)短不同，可造成太陽(yáng)能電池性能的差異。如何對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型電池的電性能測(cè)試進(jìn)行比較科學(xué)合理的評(píng)估并沒(méi)有一個(gè)明確的方案[2-3]。因此本文研究光譜差異性對(duì)測(cè)試的影響，分析不同光譜響應(yīng)電池在不同光譜下的測(cè)試差異表現(xiàn)，仿真電池校準(zhǔn)和測(cè)試時(shí)短路電流的修正系數(shù)，以及分析仿真平臺(tái)不同導(dǎo)致的影響。

研究太陽(yáng)能電池在不同光譜下的測(cè)試差異，需要關(guān)注兩個(gè)變量：不同光譜響應(yīng)的電池和不同光譜的環(huán)境。采用控制變量法：首先，在相同的光譜測(cè)試條件下，研究具有不同光譜響應(yīng)的電池，選擇不同類(lèi)型的光伏電池分別進(jìn)行測(cè)試，再分析比較。另外，對(duì)于同一電池，對(duì)不同光譜進(jìn)行測(cè)試。最后對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，得到短路電流的修正系數(shù)。

1 太陽(yáng)能電池模型

太陽(yáng)能電池利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)光照在電池上，部分太陽(yáng)光被反射，剩余太陽(yáng)光透過(guò)半導(dǎo)體或被半導(dǎo)體吸收。由于PN（Positive Negative）結(jié)吸收光能量，體內(nèi)電子獲得光能并釋放電子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

1.1 指數(shù)模型

太陽(yáng)能電池中起主要作用的為PN結(jié)，可等效為一個(gè)理想電流源與理想二極管的并聯(lián)，由于制作太陽(yáng)能電池的材料有電阻率，引入電阻：Rs和Rsh。Rs表示擴(kuò)散區(qū)的表面電阻、電池體電阻以及電極之間電阻的串聯(lián)電阻。Rsh表示由于載流子產(chǎn)生復(fù)合以及電池邊緣的漏電流所引起的并聯(lián)電阻。模型見(jiàn)圖1所示[4]。

圖1 太陽(yáng)能電池的單指數(shù)模型

則輸出的-方程為：

式中：ph為太陽(yáng)能電池的光生電流；d為二極管的電流；sh為并聯(lián)電阻中電流。為玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為1.38×10–23J/K；為太陽(yáng)能電池面積；為熱力學(xué)溫度；由以上公式可推導(dǎo)出太陽(yáng)能電池的單指數(shù)模型公式為：

1.2 太陽(yáng)能電池重要參數(shù)

開(kāi)路電壓oc：電流為0時(shí)測(cè)量的電壓值；短路電流sc：電壓為0時(shí)測(cè)量的電流值；轉(zhuǎn)化效率：表示太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力大小，計(jì)算公式為[5]：

填充因子FF(Fill Factor)：表示由于器件電阻而導(dǎo)致的損失，計(jì)算公式為：

外量子效率EQE（External Quantum Efficiency）,內(nèi)量子效率IQE (Internal Quantum Efficiency)：表示電池性能，計(jì)算公式分別為：

1.3 仿真分析研究對(duì)象

（1）P型電池

P型電池和N型電池相對(duì)應(yīng)，P型電池襯底采用P型摻雜，P-N結(jié)位于電池表面，背表面層為背表面場(chǎng)，用于減少背表面復(fù)合。和N型相比，P型具有工藝簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)又具有最高轉(zhuǎn)化效率有瓶頸的缺點(diǎn)。

所選取模型為PERL（Passivated Emitter Rear Locally-Diffused）電池。其中開(kāi)路電壓oc為696.3 mV，短路電流sc為42.4 mA，轉(zhuǎn)化效率為23.76%，填充因子（FF）為80.52%。

PERL電池，又名鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散，由澳大利亞的新南威爾士大學(xué)光伏器件實(shí)驗(yàn)中心所研發(fā)，是迄今為止P型電池中效率最高的。結(jié)構(gòu)為上表面N摻雜，采用了倒金字塔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，并使用了雙層減反射技術(shù)，可以有效減少表面的反射率；背面點(diǎn)接觸進(jìn)行局部擴(kuò)散，可以減少背表面復(fù)合，并有效減少接觸電阻。

（2）HIT電池

HIT（Hetero Junction with Intrinsic Thin-Layer）電池，又叫異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，是單晶硅和非晶硅的混合。在發(fā)射極與基片以及背面濃度摻雜層與基片之間添加了一層本征非晶硅層，在P型氫化非晶硅薄膜（a-Si:H）和N型氫化非晶硅與N型硅襯底之間增加一層本征氫化非晶硅薄膜，形成了異質(zhì)結(jié)。其具有很高的開(kāi)路電壓，鈍化效果好，工藝制造溫度低，高溫特性好。結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，是雙面電池。所選模型的研究對(duì)象為由日本松下公司所研發(fā)的HIT電池，其中，開(kāi)路電壓oc為750 mV，短路電流sc為39.5mA，轉(zhuǎn)化效率為24.7%，填充因子（FF）為83.2%。

（3）IBC電池

IBC（Interdigitated Back-Contact）電池，又叫背電極接觸硅太陽(yáng)能電池。是將傳統(tǒng)電池正面的柵極放置后表面，正負(fù)極交叉排列。使得接收太陽(yáng)光的電池正面完全沒(méi)有柵極的遮擋，能夠最大限度吸收太陽(yáng)光，極大地增加了電池接收太陽(yáng)光的面積，從而有效提高轉(zhuǎn)化效率。結(jié)構(gòu)前表面采用表面制絨技術(shù)，減小反射率，背面的引出電極的交叉接觸，可以保證電流的及時(shí)引出。

所選模型的研究對(duì)象為由美國(guó)sunpower公司所研發(fā)的最新高效IBC電池，其中，開(kāi)路電壓oc為706 mV，短路電流sc為42.1 mA，轉(zhuǎn)化效率為25%，填充因子（FF）為82.8%[6-7]。

2 仿真

2.1 同等輻照條件三種電池測(cè)試差異仿真結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)輻照度下-圖像如圖2~4所示。

圖2 PERL標(biāo)準(zhǔn)光譜仿真圖像

圖3 HIT標(biāo)準(zhǔn)光譜仿真圖像

圖4 IBC標(biāo)準(zhǔn)光譜下仿真圖形

2.2 同一電池不同輻照條件下的仿真分析

當(dāng)改變輻照度時(shí)，三種電池電流和功率隨輻照度變化的測(cè)量數(shù)值分別如表1和表2所示。

表1 電池I隨不同輻照度G的變化測(cè)量值

表2 電池P隨不同輻照度G的變化測(cè)量值

選取對(duì)象為PERL電池，查找相應(yīng)的參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)仿真下短路電流sc為8.214 A，oc為0.6336 V；功率為4.153 W。利用相關(guān)公式計(jì)算得出：填充因子FF為79.80%，轉(zhuǎn)化效率為17.54%。

研究PERL電池性能隨光譜強(qiáng)度的變化，改變軟件中的參數(shù)，仿真輸出。同時(shí)更加直觀地表示PERL電池隨光譜強(qiáng)度性能的變化，將開(kāi)路電壓oc、短路電流sc、最大功率max隨變化的測(cè)量數(shù)值列在表3中。

表3 Isc/Pmax/Uoc隨G變化的測(cè)量數(shù)值

3 實(shí)驗(yàn)分析

分析表3，數(shù)據(jù)變化為線性，如圖5所示。

圖5 仿真電池性能隨輻照度的變化

（1）觀察各個(gè)電池的-圖像，可以看到：每個(gè)圖像的電流值隨著電壓的變化都會(huì)出現(xiàn)一段過(guò)程的平緩期，然后再急劇下降。電流值從短路電流降到零值，電壓值從零值變?yōu)殚_(kāi)路電壓值。該曲線上的每一點(diǎn)都稱(chēng)為工作點(diǎn)，每一點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)的連線稱(chēng)為負(fù)載線，其倒數(shù)值等于負(fù)載電阻。而功率電流曲線則是功率先隨電壓大致呈線性變化，到達(dá)頂峰后，再以不同斜率的速度下降。當(dāng)太陽(yáng)能電池電壓從零開(kāi)始增大時(shí)，功率也從零開(kāi)始增大，電壓增大到一定值時(shí)，功率到達(dá)最大值，稱(chēng)為最大功率m。此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱(chēng)為最大工作電壓或者最大功率電壓，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱(chēng)為最大工作電流或者最大功率電流。該點(diǎn)與原點(diǎn)連線的倒數(shù)稱(chēng)為最佳負(fù)載電阻。

（2）對(duì)于同一電池來(lái)說(shuō)，無(wú)論是PERL電池、HIT電池還是IBC電池，功率和電流都隨太陽(yáng)輻照度的減小而減小，并觀測(cè)到，電流與輻照度呈明顯的正線性關(guān)系，功率與輻照度大致成正線性關(guān)系。這一點(diǎn)不難理解：因?yàn)樘?yáng)輻照度就是太陽(yáng)的能量穿過(guò)大氣層，經(jīng)過(guò)其消耗、反射、折射等作用后到達(dá)地球表面的單位面積單位時(shí)間內(nèi)的能量，所以，太陽(yáng)能電池表面所獲得的輻照度越少，那么經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)化的能量也就越少，即功率電流也就越低。

（3）對(duì)比三種不同的電池，P型的PERL電池，N型的HIT電池和IBC電池，隨輻照度的減小，電流功率的變化幅度大致相同。

（4）模擬仿真了PERL電池在AM1.5測(cè)試條件下，外量子效率EQE和內(nèi)量子效率IEQ隨波長(zhǎng)的變化情況，并測(cè)試到，在波長(zhǎng)670 nm時(shí)，內(nèi)量子效率達(dá)到最大值99.20%；波長(zhǎng)為600 nm，外量子效率最大值為94.12%。在波長(zhǎng)小于400 nm時(shí)，量子效率較低，在400~1000 nm之間，量子效率較高，在1000 nm以上，量子效率迅速減少。這是因?yàn)榱孔有示褪请姵厥艿饺肷涞奖砻娴墓庾铀a(chǎn)生的電子空穴數(shù)與入射光子數(shù)目之比，而波長(zhǎng)大于1000 nm的光有很大的透射，所以量子效率減少。EQE和IQE數(shù)值不同是因?yàn)镻ERL前表面的減反射膜和硅表面的陷光結(jié)構(gòu)狀況以及背表面的鈍化情況的影響。

（5）為了更加準(zhǔn)確地描述短路電流和輻照度之間的關(guān)系，采用線性回歸方程擬合數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)常采用最小二乘法逼近模擬，公式為=+。其中為短路電流，為輻照度。擬合方程如下：

使用上述公式計(jì)算表3的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到=0.008 22，=0.003 2，即得出短路電流在與輻照度的線性系數(shù)為0.008 22。這里應(yīng)注意，此系數(shù)是針對(duì)電池總面積的短路電流與輻照度的線性系數(shù)。

4 結(jié)論

本文首先選取P型電池、HIT電池、IBC電池為研究對(duì)象，建立五參數(shù)模型，評(píng)估各種類(lèi)型及不同結(jié)構(gòu)電池在AM1.5下的響應(yīng)特性；其次改變輻照度參數(shù)值，評(píng)估同一結(jié)構(gòu)電池在不同太陽(yáng)能模擬器光譜下的響應(yīng)特性；此外分析仿真平臺(tái)的適應(yīng)性以及根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算短路電流和輻照度相關(guān)系數(shù)，得出短路電流與輻照度的線性系數(shù)為0.008 22。

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（編輯：陳豐）

Study of difference when testing solar cell having different spectral response

WANG Shaoxi, DU Xinzhi, FAN Xiaoya

(School of Software and Microelectronics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

There are many kinds of solar cells nowadays, all of which have specific structure, materials, and process parameters. Moreover, the simulators for soar cells’ research are not precise. Therefore, obvious differences are available when simulating the test of different solar cells using such simulators. To solve this problem, the paper adopted P type, HIT and IBC solar cells, and used five parameters model to characterize solar cells. Then the response characteristics of the solar cells with different types and different structures were analyzed under AM1.5 condition. The results show there are positive correlation between current, power and irradiance. Also the response characteristics of the cell with the same type and structure were analyzed using different solar simulators. The disciplinarian between external quantum efficiency, internal quantum efficiency and wavelength were achieved. At last, the relationship between the short-circuit current and irradiance was obtained when using the measurement values and the linear regression equation.

solar cell; spectral response; test; irradiance; quantum efficiency; difference

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.005

TN36

A

1001-2028（2018）02-0030-05

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2016GY-091）；深圳基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目(JCYJ20160429153110908)

2017-11-22

王少熙

王少熙（1981－），男，江西武寧人，副教授，博士，研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體器件與可靠性、微流控芯片。