太陽能電池溫度與光譜特性測試裝置的設計*

楊景發 張 瑋 宋曉茜 楊美瑩

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，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、持續等優點，成為研究、技術、應用、貿易的熱點[1，2]．而太陽能電池是太陽能利用中的關鍵環節，理解其光生伏特原理，掌握其基本特性參數表征和測試方法，研究溫度、光色、光強等環境因素的影響，對改進生產工藝水平、提高光電轉換效率和性能研究有著重要參考價值．本文自主設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系，直接影響填充因子和光電轉換效率[3～6]．有光照射的P-N結方程為

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為結電壓，k為玻耳茲曼常量，T為絕對溫度，η為量子轉換效率，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，其絕對光譜響應度為

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

2.3 半導體制冷原理

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

圖1 半導體制冷片的結構圖

當直流電源接通，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，電流的方向實現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小．

3 設計方法

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、數據采集和電路控制系統等部分組成，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計

太陽能電池片溫度控制單元，原理結構示意如圖3所示，包括太陽能電池片、導冷/導熱模塊(結構示意如圖4所示)、水循環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 導冷/導熱模塊結構示意圖

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；用銅質材料制作儲能塊，在其側面打兩個“孔洞”，內鑲嵌“Pt熱電偶”和“輔助熱絲”，將電池片、儲能塊、半導體制冷片、水冷頭套裝在固定夾上，組成導冷/導熱模塊．軸流風扇固定在換熱器上，用導管將導冷/導熱模塊、換熱器和水泵串接，導管內加灌制冷液，組成水循環系統，實現散熱．

選用“FOX-D型智能溫度控制器”，設計溫控電路，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，同步控制輔助熱絲、散熱風扇和循環水泵的工作，實現“儲能塊”的溫度控制，最終使太陽能電池片穩定在設定溫度．

圖5 溫控原理圖

3.2 光譜選擇單元設計

太陽能電池片輻照光譜選擇單元，原理結構示意如圖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，后面安裝軸流風扇，組成LED燈頭．采用SN3352驅動芯片，依據設計手冊確定外圍元器件及參數，設計LED驅動器．

光源發出的光匯聚進入“對接濾光裝置”，經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．設計“濾光片切換裝置”，實現濾光片的手動切換．

3.3 整機設計與制作

遵循科學布局、結構嚴謹、務實簡潔的思想，利用Pro/E軟件進行分立部件和整機模型設計，再繪制CAD圖，由廠家制作樣機，最后進行組裝、調試，樣機模型圖如圖7所示．

圖7 樣機模型設計圖

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

用設計的LED燈具作輻照光源，用FZ-GDD硅光電池特性實驗儀作數據采集器，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對應電壓表和電流表的數值．作出太陽能電池的I-U和P-U特性曲線，并計算轉換效率．

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，重復以上步驟．繪制相對光譜靈敏度曲線．

4.2 結果與分析

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

測試結果表明，隨著溫度升高，開路電壓變小，短路電流略微增大，導致轉換效率的變低．分析可知，半導體材料的禁帶寬度是溫度的函數，硅半導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，溫度系數是室外使用太陽能電池板時需要考慮的一個重要參數．

4.2.2 太陽能電池光譜特性測量

根據已知的光探頭光強比例系數和相對光譜比例系數參考值，計算光探頭的對應波長下的短路電流和太陽能電池片對應波長的光譜響應值，數據進行歸一化處理，得到太陽能電池片相對光譜響應值，其相對光譜響應曲線如圖11所示.

圖11 硅太陽能電池的相對光譜響應曲線

測試結果表明，單晶硅電池片相對光譜響應的最大靈敏度在900 nm附近，而硅光電池的光譜響應范圍是400～1 300 nm．分析認為只有能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能激發出光生電子-空穴對，而光子能量的大小與光的波長有關[11]．因此，在應用設計中，太陽能電池的光譜響應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換效率的目的．

5 結束語

太陽能光伏發電有望成為21世紀的重要新能源．光照、溫度、積塵等環境因素影響太陽能電池的轉換效率，太陽能電池的特性測量與其應用開發密切關聯．本裝置設計原理可行，結構合理，測量數據準確可靠，已成功開設了應用物理專業實驗，在實驗教學、本科生畢業論文、創新實驗和科學研究工作中發揮了其應有的價值．