不同光譜響應太陽能電池測試差異性研究

王少熙，杜幸芝，樊曉椏

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不同光譜響應太陽能電池測試差異性研究

王少熙，杜幸芝，樊曉椏

（西北工業大學 軟件與微電子學院，西安 陜西 710072）

目前市場上太陽能電池種類繁多，不同電池具有不同的結構、工藝、材料摻雜等；此外，太陽能模擬器還不盡完善。因此導致采用太陽能模擬器進行太陽能電池測試具有較大差異性。本文首先選取P型電池，HIT電池，IBC電池為研究對象，建立五參數模型，評估各種不同類型及不同結構電池在AM1.5下的響應特性，得出了電流與輻照度呈明顯的正線性關系，功率與輻照度大致成正線性關系；其次改變輻照度參數值，評估同一結構電池在不同太陽能模擬器光譜下的響應特性，得出外量子效率和內量子效率隨波長的變化規律；此外分析仿真平臺的適應性以及根據測量數據利用數學模型計算短路電流和輻照度相關系數。

太陽能電池；光譜響應；測試；輻照度；量子效應；差異性

隨著石化資源的逐年減少以及日益嚴重的生態環境破壞，清潔可再生能源成為人類尋找的替代品。在此背景下太陽能電池發展迅猛，1990~1996年，全球太陽能電池年產量以12%左右速度增長。1997~2010年，年產量以40%左右速度增長。在2015年產量已經高達141 585 MW。太陽能電池的效率由最開始的百分之幾到百分之十幾再到現如今的24%左右[1]。如今，市場上光伏電池種類繁多，主要類型有以下幾種：傳統的P型電池、N型電池、背鈍化電池、HIT電池以及IBC電池。

然而如何對電池相關參數進行準確測試，從而對其性能進行綜合分析變得至關重要。目前常規是利用太陽能模擬器盡可能地模擬AM1.5光譜，并對其電性能進行評測。但是，不同的太陽能模擬器的光譜不相同，并受升溫等因素的影響。一般來說，太陽能模擬器為閃光模擬器，閃光的時間長短不同，可造成太陽能電池性能的差異。如何對不同結構類型電池的電性能測試進行比較科學合理的評估并沒有一個明確的方案[2-3]。因此本文研究光譜差異性對測試的影響，分析不同光譜響應電池在不同光譜下的測試差異表現，仿真電池校準和測試時短路電流的修正系數，以及分析仿真平臺不同導致的影響。

研究太陽能電池在不同光譜下的測試差異，需要關注兩個變量：不同光譜響應的電池和不同光譜的環境。采用控制變量法：首先，在相同的光譜測試條件下，研究具有不同光譜響應的電池，選擇不同類型的光伏電池分別進行測試，再分析比較。另外，對于同一電池，對不同光譜進行測試。最后對數據結果進行分析，得到短路電流的修正系數。

1 太陽能電池模型

太陽能電池利用光生伏特效應將太陽光能轉化為電能。當光照在電池上，部分太陽光被反射，剩余太陽光透過半導體或被半導體吸收。由于PN（Positive Negative）結吸收光能量，體內電子獲得光能并釋放電子，產生電子-空穴對。

1.1 指數模型

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

圖1 太陽能電池的單指數模型

則輸出的-方程為：

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

1.2 太陽能電池重要參數

開路電壓oc：電流為0時測量的電壓值；短路電流sc：電壓為0時測量的電流值；轉化效率：表示太陽能電池將光能轉化為電能的能力大小，計算公式為[5]：

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

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

1.3 仿真分析研究對象

（1）P型電池

P型電池和N型電池相對應，P型電池襯底采用P型摻雜，P-N結位于電池表面，背表面層為背表面場，用于減少背表面復合。和N型相比，P型具有工藝簡單，成本低的優點，但是同時又具有最高轉化效率有瓶頸的缺點。

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

PERL電池，又名鈍化發射極背部局域擴散，由澳大利亞的新南威爾士大學光伏器件實驗中心所研發，是迄今為止P型電池中效率最高的。結構為上表面N摻雜，采用了倒金字塔結構，該結構優于絨面結構，并使用了雙層減反射技術，可以有效減少表面的反射率；背面點接觸進行局部擴散，可以減少背表面復合，并有效減少接觸電阻。

（2）HIT電池

HIT（Hetero Junction with Intrinsic Thin-Layer）電池，又叫異質結太陽能電池，是單晶硅和非晶硅的混合。在發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，形成了異質結。其具有很高的開路電壓，鈍化效果好，工藝制造溫度低，高溫特性好。結構具有對稱性，是雙面電池。所選模型的研究對象為由日本松下公司所研發的HIT電池，其中，開路電壓oc為750 mV，短路電流sc為39.5mA，轉化效率為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能電池。是將傳統電池正面的柵極放置后表面，正負極交叉排列。使得接收太陽光的電池正面完全沒有柵極的遮擋，能夠最大限度吸收太陽光，極大地增加了電池接收太陽光的面積，從而有效提高轉化效率。結構前表面采用表面制絨技術，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引出。

所選模型的研究對象為由美國sunpower公司所研發的最新高效IBC電池，其中，開路電壓oc為706 mV，短路電流sc為42.1 mA，轉化效率為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試差異仿真結果

標準輻照度下-圖像如圖2~4所示。

圖2 PERL標準光譜仿真圖像

圖3 HIT標準光譜仿真圖像

圖4 IBC標準光譜下仿真圖形

2.2 同一電池不同輻照條件下的仿真分析

當改變輻照度時，三種電池電流和功率隨輻照度變化的測量數值分別如表1和表2所示。

表1 電池I隨不同輻照度G的變化測量值

表2 電池P隨不同輻照度G的變化測量值

選取對象為PERL電池，查找相應的參數，標準仿真下短路電流sc為8.214 A，oc為0.6336 V；功率為4.153 W。利用相關公式計算得出：填充因子FF為79.80%，轉化效率為17.54%。

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

表3 Isc/Pmax/Uoc隨G變化的測量數值

3 實驗分析

分析表3，數據變化為線性，如圖5所示。

圖5 仿真電池性能隨輻照度的變化

（1）觀察各個電池的-圖像，可以看到：每個圖像的電流值隨著電壓的變化都會出現一段過程的平緩期，然后再急劇下降。電流值從短路電流降到零值，電壓值從零值變為開路電壓值。該曲線上的每一點都稱為工作點，每一點與遠點的連線稱為負載線，其倒數值等于負載電阻。而功率電流曲線則是功率先隨電壓大致呈線性變化，到達頂峰后，再以不同斜率的速度下降。當太陽能電池電壓從零開始增大時，功率也從零開始增大，電壓增大到一定值時，功率到達最大值，稱為最大功率m。此點所對應的電壓，稱為最大工作電壓或者最大功率電壓，此點所對應的電流，稱為最大工作電流或者最大功率電流。該點與原點連線的倒數稱為最佳負載電阻。

（2）對于同一電池來說，無論是PERL電池、HIT電池還是IBC電池，功率和電流都隨太陽輻照度的減小而減小，并觀測到，電流與輻照度呈明顯的正線性關系，功率與輻照度大致成正線性關系。這一點不難理解：因為太陽輻照度就是太陽的能量穿過大氣層，經過其消耗、反射、折射等作用后到達地球表面的單位面積單位時間內的能量，所以，太陽能電池表面所獲得的輻照度越少，那么經過其轉化的能量也就越少，即功率電流也就越低。

（3）對比三種不同的電池，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測試條件下，外量子效率EQE和內量子效率IEQ隨波長的變化情況，并測試到，在波長670 nm時，內量子效率達到最大值99.20%；波長為600 nm，外量子效率最大值為94.12%。在波長小于400 nm時，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。這是因為量子效率就是電池受到入射到表面的光子所產生的電子空穴數與入射光子數目之比，而波長大于1000 nm的光有很大的透射，所以量子效率減少。EQE和IQE數值不同是因為PERL前表面的減反射膜和硅表面的陷光結構狀況以及背表面的鈍化情況的影響。

（5）為了更加準確地描述短路電流和輻照度之間的關系，采用線性回歸方程擬合數據。利用數據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：

使用上述公式計算表3的數據，通過計算得到=0.008 22，=0.003 2，即得出短路電流在與輻照度的線性系數為0.008 22。這里應注意，此系數是針對電池總面積的短路電流與輻照度的線性系數。

4 結論

本文首先選取P型電池、HIT電池、IBC電池為研究對象，建立五參數模型，評估各種類型及不同結構電池在AM1.5下的響應特性；其次改變輻照度參數值，評估同一結構電池在不同太陽能模擬器光譜下的響應特性；此外分析仿真平臺的適應性以及根據測量數據利用數學模型計算短路電流和輻照度相關系數，得出短路電流與輻照度的線性系數為0.008 22。

[1] SINGH R, POLU A R, BHATTACHARYA B, et al. Perspectives for solid biopolymer electrolytes in dye sensitized solar cell and battery application [J]. Renew Sust Energy Rev, 2016, 65: 1098-1117.

[2] YELLA A, LEE H W, TSAO H N, et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency [J]. Science, 2011, 334(6056): 629-634.

[3] CHEN C C, CHANG W H, YOSHIMURA K, et al. An efficient triple‐junction polymer solar cell having a power conversion efficiency exceeding 11% [J]. Adv Mater, 2014, 26(32): 5670-5677.

[4] 孫樂飛. 太陽能電池性能參數測量模型研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2011.

[5] DOU L, YOU J, YANG J, et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer [J]. Nat Photonics, 2012, 6(3): 180-185.

[6] GREEN M A, EMERY K, HISHIKAWA Y, et al. Solar cell efficiency tables (Version 45) [J]. Prog Photovoltaics: Res Appl, 2015, 23(1): 1-9.

[7] 傅望, 周林, 郭珂, 等. 太陽能電池工程用數學模型研究[J]. 電工技術學報, 2011, 26(10): 211-216.

（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

陜西省工業科技攻關項目（2016GY-091）；深圳基礎研究基金項目(JCYJ20160429153110908)

2017-11-22

王少熙

王少熙（1981－），男，江西武寧人，副教授，博士，研究方向為半導體器件與可靠性、微流控芯片。