單片疊層太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

白芳　劉朔琪　劉興

【摘 要】太陽(yáng)能電池可以把光能轉(zhuǎn)化成電能。物理學(xué)上稱(chēng)其太陽(yáng)能光伏，又稱(chēng)光伏。多結(jié)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池具有轉(zhuǎn)換效率高，溫度特性良好，環(huán)境污染較低和成本較低等優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)三結(jié)太陽(yáng)能電池，研究如何進(jìn)行測(cè)試的操作與理論，設(shè)計(jì)對(duì)電性能指標(biāo)測(cè)試的平臺(tái)，為測(cè)試提供理論支持。主要是解決好測(cè)試中的單色器范圍過(guò)窄、紫外單色光強(qiáng)度不夠等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)，提出多結(jié)太陽(yáng)能電池關(guān)于光譜響應(yīng)測(cè)試需要應(yīng)用到的電偏置新算法，得到可以操作的單片疊層太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】多結(jié)太陽(yáng)能電池；光譜響應(yīng)曲線(xiàn)；電偏置

中圖分類(lèi)號(hào)： TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）35-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.014

Design of circuit of spectral response test system for single-chip laminated solar cells

BAI Fang LIU Su-qi LIU Xing

（College of Information， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

【Abstract】Solar cells convert light energy into electricity. In physics， it is called solar photovoltaic， also known as photovoltaic. Multi-junction compound semiconductor solar cells have the advantages of high conversion efficiency， good temperature characteristics， low environmental pollution and low cost.This paper focuses on the operation and theory of how to conduct tests for three-junction solar cells， and designs a platform for testing electrical performance indicators to provide theoretical support for testing. It is mainly to solve the key technical problems such as the narrow range of the monochromator in the test and the insufficient intensity of the ultraviolet monochromatic light. Designing a test platform and proposing a new algorithm for electrical biasing of multi-junction solar cells for spectral response testing， a single-chip stacked solar cell spectral response test system is available.

【Key words】Multijunction solar cell； Spectral response curve； Electrobias

0 引言

太陽(yáng)能是一種能量巨大的可再生能源。太陽(yáng)每秒鐘傳送到地球的能量相當(dāng)于億桶石油的能量，等于全球一天所消耗的能源。太陽(yáng)能作為21世紀(jì)新能源技術(shù)，具有極其遠(yuǎn)大的前景與潛力。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電指利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心光電轉(zhuǎn)化[1]的最小單位為太陽(yáng)能電池單元。單元進(jìn)行串并聯(lián)并封裝得到太陽(yáng)能電池組件，功率范圍一般為幾瓦到幾百瓦。太陽(yáng)能電池組件作為電源使用的最小單元，太陽(yáng)能電池方陣就是由這種太陽(yáng)能電池組件串并聯(lián)構(gòu)成，功率輸出足夠負(fù)擔(dān)負(fù)載需要。

現(xiàn)存已知太陽(yáng)能電池中，硅太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能電池的主要品種，擁有高可靠性、 壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。硅是地殼中含量除氧之外最多的元素，其次硅太陽(yáng)能電池的制備主要依靠半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)，技術(shù)發(fā)展和資源利用更普遍。太陽(yáng)能電池按材料分一般主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、有機(jī)電池、化合物電池和染料敏化電池等。按形態(tài)結(jié)構(gòu)分主要有疊層電池、薄膜電池等。為了提高效率與降低成本，需要改進(jìn)技術(shù)的同時(shí)綜合考慮原材料的價(jià)格，環(huán)境保護(hù)以及轉(zhuǎn)換效率等因素，所以硅電池成為太陽(yáng)能電池最重要的組成成員。

多結(jié)太陽(yáng)電池是一種高效率的太陽(yáng)能電池，每個(gè)電池有多個(gè)采用分子束外延技術(shù)或有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法生成的薄膜。這些薄膜所構(gòu)成的半導(dǎo)體有不同的特征能隙，而這些能隙可以吸收光譜中特定頻率的電磁波能量，因此生成的半導(dǎo)體能吸收太陽(yáng)光中的大部分頻率的光，生成更多的能量。

任何單一材料的半導(dǎo)體材料的光電響應(yīng)光譜范圍與太陽(yáng)光譜相比都太窄，只能轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜中一定范圍的光能，降低了效率。因此，為提高利用效率，將具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料互相組合起來(lái)，吸收轉(zhuǎn)換不同波長(zhǎng)范圍的入射光，頂層電池的能帶最高，往下依次減少，能高的光子被上面能帶高的電池吸收，能低的光子下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生了雙結(jié)、三結(jié)等多結(jié)疊層太陽(yáng)能電池。

下圖1出自美國(guó)能源部可再生實(shí)驗(yàn)室的一份研究報(bào)告對(duì)各類(lèi)型太陽(yáng)能電池的分析

國(guó)內(nèi)開(kāi)始多結(jié)太陽(yáng)能電池測(cè)試的研究工作較晚，因此國(guó)內(nèi)系統(tǒng)只停留在可以測(cè)試傳統(tǒng)單結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)的階段。目前，在國(guó)際相關(guān)學(xué)術(shù)資料上，多結(jié)太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)測(cè)量理論、具體技術(shù)應(yīng)用研究較少。同時(shí)，由于國(guó)外在此方面的技術(shù)的封鎖與設(shè)備不外賣(mài)的原因，增大了我國(guó)的研究難度。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)外部分先進(jìn)的光伏測(cè)量實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始了對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池測(cè)試的研究，經(jīng)過(guò)深入研究多結(jié)太陽(yáng)能電池的測(cè)試?yán)碚摚_(kāi)發(fā)出多結(jié)太陽(yáng)能電池測(cè)量的技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)備。

圖1 晶體硅、非晶硅薄膜、單片疊層以及有機(jī)化學(xué)、染料敏化電池轉(zhuǎn)化率提高歷史圖[50]

Fig1 Crystalline silicon， amorphous silicon thin film， monolithic multi-junction， and organic cells conversion rate improving history[50]

我國(guó)國(guó)土面積廣闊，東西跨度大，光線(xiàn)充足的地區(qū)數(shù)量多，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在我國(guó)擁有很好的發(fā)展前景。通過(guò)加大在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究力度，減少能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量流失，進(jìn)而提高效率，降低成本，緩解能源短缺問(wèn)題，減少不可再生資源使用，保護(hù)環(huán)境。

多結(jié)太陽(yáng)能電池采用半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)將不同的化合物半導(dǎo)體層合成在一起，利用隧道二極管將各個(gè)分立的太陽(yáng)能電池串聯(lián)在一起，相互串聯(lián)的結(jié)之間沒(méi)有引線(xiàn)，因此多結(jié)太陽(yáng)能電池整體只有一對(duì)光電轉(zhuǎn)換輸出的正、負(fù)極。這些特性決定其光譜響應(yīng)測(cè)試[2]只能通過(guò)對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池整體進(jìn)行測(cè)試。在整體測(cè)試過(guò)程中各個(gè)P/N結(jié)之間的光特性和電特性互相影響，因此現(xiàn)有的單結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法測(cè)試多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)。

本文主要是研究多結(jié)太陽(yáng)能電池的測(cè)試方法，并設(shè)計(jì)電性能指標(biāo)的測(cè)試平臺(tái)，以此為測(cè)試提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)解決測(cè)試過(guò)程中遇到的單色光光譜范圍過(guò)窄、各個(gè)P/N結(jié)之間的光特性和電特性互相影響等技術(shù)問(wèn)題，來(lái)解決光偏置、電偏置理論與應(yīng)用、微弱信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)采用光偏置、電偏置等關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)，再將AM0狀態(tài)下的太陽(yáng)能光譜曲線(xiàn)與光譜響應(yīng)曲線(xiàn)相乘后積分，得到結(jié)點(diǎn)的短路電流，從而能夠較準(zhǔn)確的估計(jì)出多結(jié)太陽(yáng)能電池的效率。本研究將多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)電路硬件開(kāi)發(fā)研究作為重點(diǎn)，側(cè)重系統(tǒng)的整體搭建和電路硬件設(shè)計(jì)。

1 疊層太陽(yáng)能電池原理介紹

1.1 太陽(yáng)光譜簡(jiǎn)介

太陽(yáng)光有著范圍極其廣的連續(xù)譜和大量的吸收線(xiàn)和發(fā)射線(xiàn)，擁有許多太陽(yáng)信息。太陽(yáng)電磁輻射中，99.9%的能量集中在紅外區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)和紫外區(qū)。而可見(jiàn)光區(qū)的能量占太陽(yáng)輻射的50%，紅外區(qū)占43%。紫外區(qū)只占能量的7%。太陽(yáng)輻射的能力最高的范圍大概在其波長(zhǎng)0.48微米左右。因?yàn)榭紤]到GaInP，Ga（In）As，Ge的光譜響應(yīng)范圍（GaInP350-650nm，Ga（In）As650-900nm，Ge900-1900nm），所以在本系統(tǒng)中選用的激勵(lì)光源光譜范圍大概為350-1900nm之間。AM0下太陽(yáng)輻射光譜圖如下圖所示：

一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)1AM0）定義為在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位，且無(wú)大氣吸收的前提條件下，與陽(yáng)光垂直的單位面積上的太陽(yáng)輻射能量。國(guó)際規(guī)定1AM0=1353W/m2。[3]假設(shè)光子數(shù)為N（λ）厘米-2秒-1的規(guī)定是指每秒投射到單位面積P/N結(jié)上的光子能量為hω的光子數(shù)，則單色光輻射能流就是Pin

因?yàn)樘?yáng)光譜波長(zhǎng)寬，包含各種波長(zhǎng)，所以實(shí)際入射光能是太陽(yáng)光所包含的各種波長(zhǎng)的光能之和。根據(jù)以上概念可以總結(jié)為

在無(wú)大氣吸收的情況下，Pin=1AM0，大約由300納米到1500納米的波長(zhǎng)范圍是太陽(yáng)光譜的主要部分，然而若無(wú)大氣吸收則光譜峰值在500納米左右。

1.2 光生伏特效應(yīng)[4]

根據(jù)法國(guó)科學(xué)家皮庫(kù)雷爾的”光生伏特效應(yīng)”，制作綜合不同電子特性的半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，由于內(nèi)電場(chǎng)的作用，產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，電壓出現(xiàn)在其正背面之間，連接的外電路就產(chǎn)生了電流。

1.3 光譜響應(yīng)概念

因各種波長(zhǎng)不同的單色光的光子能量不同，其照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的短路電流。短路電流密度與輻照度之比，又可定義為單位輻照度所產(chǎn)生的短路電流密度與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，由此測(cè)量絕對(duì)光譜響應(yīng)結(jié)果為

2 多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將眾多儀器部件組裝在一個(gè)工作臺(tái)上，，將被測(cè)電池和參考標(biāo)準(zhǔn)電池放入恒溫樣品室避免溫度影響；同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)半透明半反光的濾光片來(lái)分光。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單色光系統(tǒng)，為了解決光譜響應(yīng)范圍覆蓋問(wèn)題，將傳統(tǒng)的單光柵單色儀換成三光柵單色儀。為滿(mǎn)足350nm～1900nm的光譜范圍應(yīng)用，采用鹵鎢燈。若鹵鎢燈不能達(dá)到預(yù)期要求，則在部分波段換為氙燈（HID），因?yàn)殡療粼?00～400nm范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的光譜，但是光譜強(qiáng)度的重復(fù)性低于鹵鎢燈。其次需要找到一個(gè)合理的切換點(diǎn)，該點(diǎn)之前采用氙燈，之后換用鹵鎢燈。從而盡量減小光源不穩(wěn)定造成的誤差。采用偏置光源的原因，是因?yàn)楸粶y(cè)電池進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試時(shí)，需在單色光和偏置光照射下。對(duì)于多結(jié)電池的測(cè)量的要為每一結(jié)子電池的測(cè)量需要單獨(dú)進(jìn)行。誤差可能出現(xiàn)在當(dāng)測(cè)量某一結(jié)電池時(shí)，測(cè)量結(jié)果可能被其他電池的導(dǎo)通狀態(tài)會(huì)影響。通過(guò)偏置光需要使其他電池產(chǎn)生的光電流達(dá)到相對(duì)飽和狀態(tài)。光譜響應(yīng)測(cè)試產(chǎn)生較大的光伏電流的目的是為了限制電流，具體操作是對(duì)被測(cè)結(jié)電池照射較弱的偏置光。設(shè)計(jì)多束偏置光，分別經(jīng)過(guò)各自的濾光片、可調(diào)節(jié)的光闌、可以進(jìn)行復(fù)雜操作的光纖和復(fù)眼透鏡，其出射波譜分別介于300～650納米范圍之間、650～900納米范圍之間、900～1900納米范圍之間。

2.3 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集系統(tǒng)主要包栝以下幾部分，低壓電源設(shè)計(jì)、信號(hào)操作電路、信號(hào)檢測(cè)裝置、電偏置、溫度采集裝置、A/D獲取裝置等。其中：電源部分，采用PC電源，以此減少工頻干擾信號(hào)；信號(hào)調(diào)理通過(guò)自己制作電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)I/V信號(hào)變換及其信號(hào)濾波、放大等功能。微弱信號(hào)檢測(cè)，利用相敏感檢波電路[5]。電偏置措施是由計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A輸送一個(gè)電壓到多結(jié)太陽(yáng)能電池一端，來(lái)抵消其他子結(jié)電池的內(nèi)部反向偏置電壓。溫度采集模塊采取閉環(huán)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)的采集溫度，以此來(lái)調(diào)節(jié)制冷裝置。

3 總結(jié)

研究多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試的電路硬件，設(shè)計(jì)多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)電路，檢測(cè)微弱信號(hào)。性能主要考慮成為電源的電性能， 在搭建整個(gè)系統(tǒng)的方案論證中，涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題包括：?jiǎn)紊?lì)光源、光偏置、電偏置的研究與裝置、微弱信號(hào)檢測(cè)。主要是解決好測(cè)試過(guò)程中單色光的光譜范圍過(guò)窄、紫外單色光強(qiáng)度不夠、信噪比太低和各個(gè)P/N結(jié)之間的光特性與電特性互相干涉引起誤差等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池，進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試研究，提供新的檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)對(duì)多結(jié)太陽(yáng)能電池短路電流的檢測(cè)電路，為得到多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)曲線(xiàn)奠定了方案基礎(chǔ)。提供了關(guān)于單片疊層多結(jié)光伏電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的意見(jiàn)。

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