太陽能電池溫度與光譜特性測試裝置的設(shè)計*

楊景發(fā) 張 瑋 宋曉茜 楊美瑩

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能量與能源問題的重要性日益凸顯．太陽能以其普遍、巨大、無害、持續(xù)等優(yōu)點，成為研究、技術(shù)、應(yīng)用、貿(mào)易的熱點[1，2]．而太陽能電池是太陽能利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，理解其光生伏特原理，掌握其基本特性參數(shù)表征和測試方法，研究溫度、光色、光強等環(huán)境因素的影響，對改進生產(chǎn)工藝水平、提高光電轉(zhuǎn)換效率和性能研究有著重要參考價值．本文自主設(shè)計了太陽能電池片的“溫度測試”和“光譜特性測試”單元，研制出“太陽能電池溫度與光譜特性測試裝置”，并利用該裝置測量了單晶硅太陽能電池溫度及光譜特性．

2 設(shè)計原理

2.1 太陽能電池的溫度特性

太陽能電池溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系，直接影響填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率[3～6]．有光照射的P-N結(jié)方程為

短路電流

開路電壓

其中，Il為光電流，Is為反向飽和電流，q為電子電荷量，V為結(jié)電壓，k為玻耳茲曼常量，T為絕對溫度，η為量子轉(zhuǎn)換效率，h是普朗克常量，ν為光頻率，P為入射光功率．隨溫度上升，硅光電池的波長紅移，ν下降，短路電流略有上升，開路電壓將下降．

2.2 太陽能電池的光譜特性

太陽能電池光譜特性是指短路電流與入射波長之間的關(guān)系[4～7]．一般來說，太陽能電池的短路電流Isc正比于入射光強，其絕對光譜響應(yīng)度為

其中，R′λ,I′λ分別為標(biāo)準(zhǔn)光探測器在特定波長λ處的光譜響應(yīng)度和短路電流(已知)，I(λ)為待測太陽能電池片在相同輻照功率、對應(yīng)波長下的短路電流．絕對光譜響應(yīng)度除以絕對光譜響應(yīng)的最大值就等于相對光譜響應(yīng)．

2.3 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理是珀爾帖效應(yīng)[8]．利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對，再把若干對熱電偶連接起來構(gòu)成熱電堆，如圖1所示．

圖1 半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)直流電源接通，上面接頭的電流方向是N-P，溫度降低，吸熱，形成冷端；下面接頭的電流方向是P-N，溫度上升，放熱，形成熱端．因此，電流的方向?qū)崿F(xiàn)了制冷片同一端面的制冷或制熱，電流的大小決定了放熱或吸熱大?。?/p>

3 設(shè)計方法

太陽能電池溫度與光譜特性測試裝置主要由溫度控制單元、光譜選擇單元、數(shù)據(jù)采集和電路控制系統(tǒng)等部分組成，原理框圖如圖2所示．

圖2 原理框圖

3.1 太陽能電池片溫度控制單元設(shè)計

太陽能電池片溫度控制單元，原理結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，包括太陽能電池片、導(dǎo)冷/導(dǎo)熱模塊(結(jié)構(gòu)示意如圖4所示)、水循環(huán)散熱模塊和智能溫度控制器等部分，提供太陽能電池片溫度特性測試條件(-10 ℃～50 ℃)．

圖3 溫度控制模塊原理示意圖

圖4 導(dǎo)冷/導(dǎo)熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖

太陽能電池片(單晶硅/多晶硅/非晶硅)的有效受光面積為30 mm×30 mm；用銅質(zhì)材料制作儲能塊，在其側(cè)面打兩個“孔洞”，內(nèi)鑲嵌“Pt熱電偶”和“輔助熱絲”，將電池片、儲能塊、半導(dǎo)體制冷片、水冷頭套裝在固定夾上，組成導(dǎo)冷/導(dǎo)熱模塊．軸流風(fēng)扇固定在換熱器上，用導(dǎo)管將導(dǎo)冷/導(dǎo)熱模塊、換熱器和水泵串接，導(dǎo)管內(nèi)加灌制冷液，組成水循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)散熱．

選用“FOX-D型智能溫度控制器”，設(shè)計溫控電路，電路原理圖如圖5所示，利用PID控制原理控制“制冷片”的工作狀態(tài)，同步控制輔助熱絲、散熱風(fēng)扇和循環(huán)水泵的工作，實現(xiàn)“儲能塊”的溫度控制，最終使太陽能電池片穩(wěn)定在設(shè)定溫度．

圖5 溫控原理圖

3.2 光譜選擇單元設(shè)計

太陽能電池片輻照光譜選擇單元，原理結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，包括光源選擇裝置、對接濾光裝置和光源控制器等部分，提供照射太陽能電池片的輻射光譜條件．

圖6 太陽能電池片輻照光譜選擇單元原理示意圖

在進行光譜特性測量時，選用高壓氙燈作為輻照光源，光源功率750 W，出射光孔徑為50 mm；進行溫度特性測量時，自主設(shè)計大功率LED光源——將聚光透鏡、3W紅色(660 nm)LED燈珠、鋁基PCB板套裝在鋁基散熱筒內(nèi)，后面安裝軸流風(fēng)扇，組成LED燈頭．采用SN3352驅(qū)動芯片，依據(jù)設(shè)計手冊確定外圍元器件及參數(shù)，設(shè)計LED驅(qū)動器．

光源發(fā)出的光匯聚進入“對接濾光裝置”，經(jīng)遮光罩筒最終照射在太陽能電池片．濾光片模組由8片直徑為12.5 mm的帶通濾光片組成，濾光波長分別為395 nm,490 nm,570 nm,660 nm,710 nm,770 nm,990 nm,1 035 nm．設(shè)計“濾光片切換裝置”，實現(xiàn)濾光片的手動切換．

3.3 整機設(shè)計與制作

遵循科學(xué)布局、結(jié)構(gòu)嚴謹、務(wù)實簡潔的思想，利用Pro/E軟件進行分立部件和整機模型設(shè)計，再繪制CAD圖，由廠家制作樣機，最后進行組裝、調(diào)試，樣機模型圖如圖7所示．

圖7 樣機模型設(shè)計圖

4 Si太陽能電池特性實驗測試

4.1 實驗方法

4.1.1 溫度特性測量

用設(shè)計的LED燈具作輻照光源，用FZ-GDD硅光電池特性實驗儀作數(shù)據(jù)采集器，按照圖8連接電路．在一定入射光強下(2 220 W/m2)，改變溫度，分別測出0 ℃，20 ℃，25 ℃溫度條件下，不同負載Rl對應(yīng)電壓表和電流表的數(shù)值．作出太陽能電池的I-U和P-U特性曲線，并計算轉(zhuǎn)換效率．

圖8 實驗電路連接圖

4.1.2 光譜特性測量

切換氙燈作輻照光源，將溫度控制在25 ℃，光源設(shè)定在5擋．加載395 nm濾光片，插入光強探測器，記錄光強值．將光強探測器換成單晶硅片，記錄對應(yīng)的短路電流I(λ)．依次更換濾光片為490 nm，570 nm，660 nm，710 nm，770 nm，900 nm，1 035 nm，重復(fù)以上步驟．繪制相對光譜靈敏度曲線．

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 太陽能電池溫度測量

太陽能電池的I-U和P-U特性曲線如圖9和圖10所示,不同溫度下，硅太陽能電池片的特性參數(shù)如表1所示.

圖9 不同溫度時單晶硅太陽能電池的I-U曲線

圖10 不同溫度時硅太陽能電池的P-U曲線

表1 不同溫度時Si太陽能電池片的特性參數(shù)

測試結(jié)果表明，隨著溫度升高，開路電壓變小，短路電流略微增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的變低．分析可知，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度是溫度的函數(shù)，硅半導(dǎo)體禁帶寬度通常隨溫度的上升而減小，使得光吸收隨之增加，短路電流略有增加，開路電壓減小[10]．因此，溫度系數(shù)是室外使用太陽能電池板時需要考慮的一個重要參數(shù)．

4.2.2 太陽能電池光譜特性測量

根據(jù)已知的光探頭光強比例系數(shù)和相對光譜比例系數(shù)參考值，計算光探頭的對應(yīng)波長下的短路電流和太陽能電池片對應(yīng)波長的光譜響應(yīng)值，數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到太陽能電池片相對光譜響應(yīng)值，其相對光譜響應(yīng)曲線如圖11所示.

圖11 硅太陽能電池的相對光譜響應(yīng)曲線

測試結(jié)果表明，單晶硅電池片相對光譜響應(yīng)的最大靈敏度在900 nm附近，而硅光電池的光譜響應(yīng)范圍是400～1 300 nm．分析認為只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子-空穴對，而光子能量的大小與光的波長有關(guān)[11]．因此，在應(yīng)用設(shè)計中，太陽能電池的光譜響應(yīng)波長必須與光源的輻射光譜相匹配，以達到充分地利用光能和提高光電轉(zhuǎn)換效率的目的．

5 結(jié)束語

太陽能光伏發(fā)電有望成為21世紀(jì)的重要新能源．光照、溫度、積塵等環(huán)境因素影響太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，太陽能電池的特性測量與其應(yīng)用開發(fā)密切關(guān)聯(lián)．本裝置設(shè)計原理可行，結(jié)構(gòu)合理，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已成功開設(shè)了應(yīng)用物理專業(yè)實驗，在實驗教學(xué)、本科生畢業(yè)論文、創(chuàng)新實驗和科學(xué)研究工作中發(fā)揮了其應(yīng)有的價值．