基于交流阻抗圖譜法的晶硅太陽電池性能研究

劉立勇，韓宏偉

(1.青海省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，青海西寧 810008；2.青海可再生能源研究所，青海西寧 810003)

隨著我國碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的提出，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在眾多太陽電池中，晶體硅電池技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，其性能測試與表征分析方法研究也備受關(guān)注[1-2]。太陽電池性能分析通常采用單二極管或雙二極管直流等效電路模型，求解電池的電流電壓曲線對應(yīng)的隱式的超越方程中的二極管理想因子、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和開路電壓、短路電流等參數(shù)[3-4]。這些研究主要針對太陽電池的直流特性參數(shù)進(jìn)行分析，而少對電池的交流特性進(jìn)行研究。太陽電池電壓變化與電流響應(yīng)比值為阻抗，除電阻外，電路中電容在對交流電阻礙產(chǎn)生的容抗以及電感產(chǎn)生的感抗，可以通過交流阻抗譜測試技術(shù)表征分析。阻抗譜測試技術(shù)用來研究發(fā)生在界面或體相的電荷傳輸、轉(zhuǎn)移以及復(fù)合過程特性變化等是一種非常有效的方法[5]。

太陽電池阻抗譜理論與實(shí)驗(yàn)方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)研究工作。余希瑞[6]從擴(kuò)散理論出發(fā)，研究了染料敏化太陽電池的交流阻抗特性，他分析了阻抗耦合效應(yīng)后，指出了通常理論模型中的電解液阻抗和陽極阻抗間串聯(lián)關(guān)系的不足，電子在電解液和陽極間的傳輸具有連續(xù)性，不能簡單地用兩者之和來描述總體阻抗。他發(fā)現(xiàn)用兩個串聯(lián)電路來表示總體阻抗，在中高頻和低頻均能使阻抗完全耦合。王磊[7]在利用單二極管等效電路模型的參數(shù)對染料敏化太陽電池進(jìn)行了阻抗圖譜測試，分析了不同電路參數(shù)對電池轉(zhuǎn)換效率的影響。提出了兩步法擬合I-V 曲線，利用阻抗測試方法對多孔膜中電子在多孔膜中的復(fù)合和傳輸過程進(jìn)行了研究，并闡釋了此過程對染料敏化太陽電池性能的影響機(jī)制。此外，近年交流阻抗圖譜的技術(shù)也廣泛應(yīng)用于新型鈣鈦礦太陽電池中[8-9]。GONZALEZ-PEDRO 等[10]使用阻抗圖譜測量，分析了CH3NH3PbI3-xClx平面型和CH3NH3PbI3介孔型兩種形態(tài)鈣鈦礦電池載流子傳輸和重組的擴(kuò)散長度、傳輸電阻和復(fù)合電阻等物理參數(shù)。RAIFUKU 等[11]對鈣鈦礦電池圖譜做了詳細(xì)分析與解釋，指出最高頻點(diǎn)表示透明導(dǎo)電基板或外部電路的電阻，在高頻范圍內(nèi)的半圓弧是由于空穴傳輸層的傳輸，低頻部分歸因于鈣鈦礦層和二氧化鈦層之間的復(fù)合電阻。

交流阻抗譜測試方法用來測量光電流對電偏壓變化的響應(yīng)，其在染料敏化、鈣鈦礦太陽電池上有較好應(yīng)用，可以測量到很寬頻率范圍的阻抗譜來研究分析電極系統(tǒng)，能比其他常規(guī)的交流方法得到更多的電極界面結(jié)構(gòu)和動力學(xué)信息[12-13]。晶體硅太陽電池是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的太陽電池，本文在晶體硅電池的等效電路里加入電感元件，使擬合結(jié)果更好，采用阻抗譜研究其相關(guān)各種物理過程的解耦問題，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來對太陽電池的阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，通過交流阻抗獲得晶體硅太陽電池的內(nèi)部特性，可用于不同類型晶體硅電池的性能差異分析和改進(jìn)。

1 阻抗圖譜測試實(shí)驗(yàn)

交流阻抗圖譜方法是用角頻率為ω的小振幅的正弦波電位或電流作為擾動信號，被輸入擾動信號的系統(tǒng)輸出相對應(yīng)的響應(yīng)，進(jìn)而測量系統(tǒng)的阻抗，并進(jìn)行等效電路的分析。阻抗的輸入與輸出信號都具有振幅、頻率與相位三個特征量。因?yàn)榫邆溥@種“輸入-輸出”關(guān)系，可以把交流反應(yīng)和電路聯(lián)系起來。本文采用CorrTest 交流阻抗測試系統(tǒng)是由CS 系列電化學(xué)工作站(恒電位/電流儀)和CS Studio 軟件組成，它的測試頻率范圍從1～100 000 Hz，激勵正弦波的幅值為10 mV。CS系列電化學(xué)工作站與測試分析界面見圖1。

圖1 電化學(xué)工作站儀器與阻抗譜分析界面

本實(shí)驗(yàn)為了測得硅太陽電池的阻抗特性，在暗態(tài)下用電化學(xué)工作站對四個不同類型電池在不同偏壓下進(jìn)行阻抗測試。實(shí)驗(yàn)中測試了四種太陽電池的阻抗特性，分別是單晶硅AL_BSF(常規(guī)鋁背場)太陽電池、單晶硅PERC 太陽電池、多晶硅AL_BSF 太陽電池和多晶PERC 太陽電池，實(shí)驗(yàn)樣品見圖2。設(shè)置電化學(xué)工作站的頻率范圍從1～100 000 Hz，偏壓范圍從0～0.62 V，交流幅值為10 mV，每一個偏壓下測量50 個點(diǎn)。并在CS Studio 軟件上建立等效電路，擬合得到四種電池的等效電路參數(shù)，通過公式計(jì)算，得到電池的載流子壽命等性能參數(shù)，并將四種電池在不同偏壓下的阻抗圖譜和性能參數(shù)進(jìn)行對比，從而分析影響太陽電池性能的因素。

圖2 太陽電池實(shí)驗(yàn)樣品

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 等效電路分析

對太陽電池的阻抗圖譜采用電阻R、電容C、電感L等基本元件按串聯(lián)或并聯(lián)等進(jìn)行構(gòu)建，通過模擬所測試的阻抗譜，可以分析等效電路的構(gòu)成以及各元件的數(shù)值。電阻阻抗為：

電阻阻抗只有實(shí)部而沒有虛部，故電阻相位角總是0，阻值恒為正值且與頻率無關(guān)。

電容阻抗只有虛部沒有實(shí)部，表示為：

電感的阻抗只有虛部沒有實(shí)部，表示為：

阻抗譜測試等效電路見圖3。在測試過程中若設(shè)置偏壓較低，即V≤0.5 V 時(0.5 V 太陽電池最大功率點(diǎn))，應(yīng)用圖3(a)所示的等效電路能夠?qū)μ栯姵氐淖杩箞D譜進(jìn)行很好的擬合。電路(a)中，R1表示串聯(lián)電阻，R2表示復(fù)合電阻，CPE表示常相位角元件。在偏壓大于最佳功率點(diǎn)，即V≥0.5 V 時，采用等效電路(a)不能對太陽電池的阻抗圖譜進(jìn)行很好的擬合，尤其是虛軸負(fù)半軸的弧線部分。因此，需要對等效電路進(jìn)行修正，通過實(shí)驗(yàn)與模擬，得到修正后的新等效電路如圖3(b)，將R與L串聯(lián)來表示系統(tǒng)中高偏壓下電感效應(yīng)的增大，等效電路圖(b)中新增的電感L可以認(rèn)為是負(fù)電容，其余參數(shù)意義與等效電路(a)一致。表1 和表2 分別為實(shí)驗(yàn)中單晶硅PERC 電池在0.52 V 偏壓時，所測得的阻抗圖譜分別采用等效電路(a)和(b)進(jìn)行擬合的參數(shù)值，可以看到電感元件能很好地模擬電池在高偏壓下電感效應(yīng)的增大。

圖3 阻抗譜測試等效電路圖

表1 單晶硅PERC電池等效電路(a)參數(shù)

表2 單晶硅PERC電池等效電路(b)參數(shù)

2.2 阻抗圖譜測試結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)中測試了四種太陽電池在不同偏壓下的阻抗特性。四種電池在在暗態(tài)、25 ℃、偏壓分別為0～0.5 V 范圍內(nèi)的Nyquist 圖譜見圖4。可以看出，四個電池樣品的Nyquist 圖均表現(xiàn)出一個半圓弧即表示一個時間常數(shù)，這個半圓弧表示電池中n+-p 結(jié)特性。隨著電壓增大，圖譜半圓的直徑逐漸減少，表示電池內(nèi)部電子空穴復(fù)合的增加，復(fù)合電阻的減少。這可認(rèn)為晶體硅太陽電池具有二極管的正向?qū)ㄐ浴τ谕粋€電池來說，不同偏壓下的阻抗圖譜的測量起點(diǎn)(曲線最左端與橫軸的交點(diǎn))基本相同，表明串聯(lián)電阻RS阻值幾乎不變。但是圖中并沒有表現(xiàn)出經(jīng)典的傳輸鏈(45°傳輸線)特征，主要原因可能有兩點(diǎn)：一是在晶體硅電池中，電子遷移率較大，使得擴(kuò)散電阻Rt遠(yuǎn)小于復(fù)合電阻Rr，致使在測試過程中沒有表示出來；二是在小電池中存在的電感在高頻域表現(xiàn)出來，使高頻曲線疊加，導(dǎo)致傳輸線特征沒有觀察到。

圖4 四種晶體硅太陽電池在暗態(tài)、不同偏壓下的Nyquist圖

本文計(jì)算了四種樣品在高偏壓下載流子壽命隨偏壓的變化，公式(4)使用的化學(xué)電容Cμ，由于電容C在低電壓下由耗盡層電容Cdl主導(dǎo)，基本不隨偏壓增大而改變，在高電壓下電容C由化學(xué)電容Cμ主導(dǎo)。當(dāng)偏壓大于0.45 V 時，電容主要由化學(xué)電容主導(dǎo)，可看作Cμ≈C。

τn為載流子壽命，可表示為[14]：

圖5 對比了四種不同硅太陽電池的載流子壽命。從圖中可以看出單晶PERC 太陽電池、單晶AL_BSF 太陽電池、多晶AL_BSF 太陽電池和多晶PERC 太陽電池，其載流子壽命依次降低，且其值在較高偏壓區(qū)隨著偏壓的變化較小。從圖中還可以看出，單晶AL_BSF 太陽電池比單晶PERC 太陽電池載流子壽命更短。這主要原因是PERC 電池工藝與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電池相比，在電池背面多了一個鈍化層，降低了電子的復(fù)合。但是從圖中可知多晶PERC 太陽電池的復(fù)合電阻和電子壽命最小，可能是該電池本身的缺陷較多，使得其空穴和電子的復(fù)合增大，導(dǎo)致復(fù)合電阻較小，電子壽命也因此降低。

圖5 四種電池的載流子壽命隨偏壓變化

3 結(jié)論

本文主要研究了晶體硅太陽電池在不同偏壓下阻抗圖譜及阻抗特性參數(shù)的變化。通過分析不同材料、工藝的電池樣品阻抗圖譜特性，可以分析材料與工藝對鈍化效果與電子體復(fù)合、表面復(fù)合的影響。提出了基于交流阻抗圖譜法的晶體硅太陽電池性能分析表征方法，可通過該表征方法進(jìn)一步深入分析并優(yōu)化電池工藝。通過阻抗Nyquist 圖譜和Bode 圖譜獲取組件等效串聯(lián)電阻、理想因子、并聯(lián)電阻等參數(shù)，結(jié)合IV 測試等方法，可對因PERC 背面鈍化、異質(zhì)結(jié)電池透明導(dǎo)電層鍍膜等工藝導(dǎo)致的串聯(lián)電阻異常、AL_BSF 刻蝕工藝漏電等引起的理想因子和并聯(lián)電阻變化進(jìn)行分析。