劉磊，張鎖良，馬亞坤，王永青

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

多結太陽電池量子效率測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉磊，張鎖良，馬亞坤，王永青

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

為滿足多結太陽電池各子電池量子效率的測量，搭建了一套帶有偏置光與偏置電壓的量子效率測試系統(tǒng).在闡述了多結太陽電池量子效率測試的原理的基礎上，詳細介紹了測試系統(tǒng)的結構，并采用Visual Basic語言成功開發(fā)了測試系統(tǒng)的控制軟件.特別討論了偏置光與偏置電壓的應用與標準電池的選擇，最后利用該系統(tǒng)成功地測試了GaInP/GaAs/Ge 3結太陽電池的量子效率，光譜響應為0.3 ～1.88 μm.

量子效率；多結太陽電池；偏置電壓；偏置光

當前全球能源危機日趨嚴重，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源面臨枯竭，因而近年來以太陽能發(fā)電技術為代表的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛，新技術、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn).以薄膜電池、多結聚光電池、染料敏化太陽電池為代表的新一代陸用光伏電池的轉化效率不斷取得突破，尤其是Ⅲ-Ⅵ族多結聚太陽電池在364倍標準太陽條件下的轉化效率已經(jīng)達到41.6%[1].與快速發(fā)展的光伏電池相比，光伏電池的計量與檢測技術卻發(fā)展緩慢，尤其是對于多結電池的量子效率的測試，目前尚沒有統(tǒng)一的標準，且國內(nèi)沒有完善的測試設備.針對這一情況，本文在詳細分析了Ⅲ-Ⅵ族多結太陽電池結構的基礎上，設計并開發(fā)了一套用于多結光伏器件的單光路量子效率測試系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)原理，硬件組成，光源的選擇，與偏置電壓的設置等問題.最后利用搭建的單光路量子效率測試系統(tǒng)對GaInP/GaAs/Ge 3結太陽電池進行了測試.

1 多結電池的結構

多結光伏電池不同于簡單的單結電池，是由2個或2個以上的子電池串聯(lián)連接而成，各子電池之間則以隧道結連接.各子電池按禁帶寬度由上而下減小的順序排列，以便于各子電池分別吸收太陽光譜中不同波長的輻射，進而達到充分利用陽光的目的.如圖1 a為GaInP/GaAs/Ge 3結太陽電池的結構示意圖，由GaInP，GaAs和Ge 3個子電池通過隧道結串聯(lián)而成.各子電池的禁帶寬度分別為1.86，1.42 和 0.66 eV， 對應的吸收截止波長為0.667，0.871和1.879 μm，如圖1 b所示.實際上，多結電池就是由隧道結連接的多個pn結串聯(lián)而成的結構，而正是由于這種串聯(lián)結構給其量子效率的測量帶來了困難[2-7].按照傳統(tǒng)測量單結電池的辦法，當測量多結中某個子結時，其他非被測量子電池實際上處于反向偏壓限流狀態(tài)，導致測量電流失真.因此必須采取相應的措施，消除非被測子電池的影響.

2 量子效率測試系統(tǒng)原理與結構

2.1系統(tǒng)原理

QE測量的基本原理如下：利用單色儀把光源發(fā)出的復合光分解成不同波長的單色光，單色光通過斬波器斬波轉變成脈沖光后照射到待測樣品上，樣品便產(chǎn)生脈沖光電流.脈沖電流由BNC線纜傳輸?shù)芥i相放大器進行放大處理，同時在相同的條件下測量已知QE值的標準電池的相應的脈沖光電流信號，然后將2個信號進行比較，便可計算出待測樣品的QE值.其計算公式為

(1)

式中，Acell，Aref分別為待測電池和標準電池的面積，Icell，Iref分別為待測電池和標準電池的電流，當測得Icell，Iref2組數(shù)據(jù)以后，結合標準電池的量子效率QEref，就可由上式計算得到待測電池的QE值[2-6,8-9].

在測量多結太陽電池光譜響應的時候，必須消除非被測子電池對測量結果的影響，因此引入了偏置光源與偏置電壓.測量某一子結電池，需要將相應的偏置光源打開，并輔以適當?shù)钠秒妷?，使非被測子電池受偏置光源輻射處于飽和狀態(tài)，而被測子電池不受偏置光源輻射，只接收脈沖單色光，從而產(chǎn)生脈沖電流，經(jīng)鎖相放大器濾掉其他非被測子電池的連續(xù)信號檢出脈沖信號.

傳統(tǒng)的量子效率測試系統(tǒng)的光路常采用這樣的方式，即光源發(fā)出的入射光經(jīng)單色儀后由分光片分光而變?yōu)殡p光路，其中一路照射標準探測器，另一路照射待測樣品.這種結構好處在于保證了測量上的時間均勻性，但由于分光片對各波長入射光的反射透射率并不一致，因此需對經(jīng)分光片分光后各波長單色光的通量比值進行標定，很容易造成誤差.這里采用分時測量，利用滑動式樣品定臺使標準探測器和待測樣品先后處于光路中的同一位置，確保了輻射通量相等，降低了測量誤差.圖2給出了筆者設計的單光路量子效率測試系統(tǒng)結構示意.

圖2 單光路量子效率測試系統(tǒng)結構示意

2.2系統(tǒng)硬件

2.2.1 單色儀、斬波器和鎖相放大器

單色儀是本系統(tǒng)的核心部件之一，本系統(tǒng)要求能對單色儀實行遠端控制，并要求波長連續(xù)可調，且分辨率小于1 nm.采用美國Spectral Products公司的DK240型單色儀，內(nèi)置3塊光柵，波長從0.2～2 μm連續(xù)可調，波長精度為0.01 nm(1 200 g/mm光柵)，并外配慮光輪，內(nèi)置標準RS232 和GPIB接口，可實現(xiàn)計算機遠程控制.斬波器與鎖相放大器配合使用，以實現(xiàn)對被測電池光電流的收集.斬波器采用美國斯坦福系統(tǒng)公司的RS540光斬波器，可提供4～3.7 kHz的斬波頻率；鎖相放大器采用日本NF公司生產(chǎn)的LI5640型鎖相放大器，選擇電流輸入，電流靈敏度為5 fA，精確度為±1%.

2.2.2 光源與偏置電壓

在本測試系統(tǒng)中，使用2種用途的光源，一種是提供單色脈沖光的光源，另一種為偏置光源.前者采用氙燈與鹵鎢燈的組合光源.氙燈的輻射光譜能覆蓋0.2～2.5 μm的波段[10]，但是寬光譜的氙燈譜線中有多個銳利尖峰，導致測量結果穩(wěn)定性較差.因此輻射波長大于0.8 μm后用光譜分布平滑的鹵鎢燈為優(yōu)[11].偏置光源以鹵鎢燈為主，配以適當?shù)臑V波片.目前市場上的長波通和短波通濾波片即可滿足使用要求，其選擇要參考被測電池各子電池的吸收截至波長而定，靈活組合.偏置光源的應用是為了確保使被測子電池起限流作用，而非被測子電池處于相對過飽和狀態(tài).原則上講單色光源的輻照強度應當與1個標準太陽的光強一致，而偏置光的強度則要求略大于單色光的強度.在實際的應用中還要考慮輻照度的穩(wěn)定性，在本系統(tǒng)中特意配置了電流、電壓波動幅度小于0.1%的穩(wěn)壓電源，保證了測量的需求.

由多結光電池的結構可知，測量過程中，施加偏置光后，被測子電池實際上處于反向偏壓狀態(tài)，偏壓大小約等于其他非被測子電池開路電壓之和.因此必須對光電池施加正向偏壓以平衡非被測電池產(chǎn)生的反向偏壓，否則容易導致信號失真.本系統(tǒng)配置了靈敏度達0.01 V的偏置電壓發(fā)生器,可提供0～3 V連續(xù)可調的偏置電壓.

2.2.3 標準電池

標準電池的選擇非常重要，一般來說標準電池電流對光強的響應要具有良好的線性度，尤其在不能保證入射光強恒定的情況下，這一點尤為重要.另外被測電池與標準電池應該屬于同種材料體系，例如對于染料敏化電池的QE測量，最好采用已知QE值的染料敏化電池作為標準電池.本系統(tǒng)配備了2種標準電池，分別為Si電池和Ge電池.其中Si標準電池的有效光譜響應范圍為0.3～1.1 μm，Ge標準電池的光譜響應范圍為0.8～1.86 μm，2塊標準電池的面積均為4 mm×4 mm.2塊標準探測器的光譜響應經(jīng)計量科學院計量校正，且對光強的響應具有良好的線性，圖3給出了2塊標準電池的量子效率曲線.

圖3 Si電池和Ge電池的量子效率曲線

2.3系統(tǒng)的控制與軟件

通過GPIB卡實現(xiàn)計算機、鎖相放大器與單色儀之間的通訊，并利用Visual Basic語言編寫了控制程序.

在控制軟件的具體實現(xiàn)上，本系統(tǒng)調用AgilentVISA I/O指令庫來實現(xiàn)對GPIB接口板的操作.VISA即虛擬儀器軟件體系結構，是標準I/O函數(shù)庫及相關規(guī)范的總稱，可實現(xiàn)各種接口類型函數(shù)的所有功能[12-13].軟件中功能模塊使用VISASession指令，VISASession是每次程序操作過程的唯一標識符，它標識了與之通訊的設備名稱以及進行I/O操作必需的配置信息.系統(tǒng)主要調用的VISA接口函數(shù)為：VisaRM.Open，VisaSession.Close，VisaMessage.ReadString和VisaMessage.WriteString等，實現(xiàn)對GPIB設備的打開、關閉、讀取與寫入字符串等操作.單色儀與鎖相放大器本身配合GPIB協(xié)議，也定義了各自的命令格式，如單色儀的“GOTO”命令表示使單色儀的輸出波長調整到某一值.這里給出2例通過VISA指令控制GIPB設備的程序格式

Set visaGPIB1 = VisaRM.Open(“GPIB0::1::INSTR”, EXCLUSIVE_LOCK)

VisaMessage1.WriteString (“GOTO 500 ”)

其中第1條表示打開地址為1的GPIB設備，使其與程控機建立聯(lián)系.第2條表示向地址為1的GPIB設備發(fā)送“GOTO 500”這一字符串.圖4為編制的控制軟件界面.

圖4 量子效率測試系統(tǒng)控制軟件

3 應用實例

利用本系統(tǒng)對由GaInP/GaAs/Ge 3結光電池進行了量子效率的測量，測試樣品由中科院半導體研究所提供.測量過程中，斬波頻率設置為22 Hz，由大功率藍光二極管提供藍光偏置，由鹵鎢配合濾光片等提供紅光與紅外光偏置，偏置電壓依次為1.16, 1.55和1.39 V.室溫下GaInP/GaAs/Ge 3結電池的量子效率測試結果如圖5.量子效率曲線清晰地反映出GaInP子電池、GaAs子電池和Ge子電池的主要光譜響應區(qū)間分別為0.3～0.7 μm， 0.6～0.9 μm和0.9～1.88 μm.根據(jù)以上量子效率計算得GaInP子電池、GaAs子電池和Ge子電池的短路電流密度分別為12.9,13.7，17 mA/cm2.由此可以判斷被測3結電池的短路電流密度大小主要受限于GaInP子電池，這就給進一步優(yōu)化電池指出了具體的方向.

圖5 GaInP/GaAs/Ge 3結疊層電池常溫下的量子效率曲線

4 結束語

詳細介紹了用于多結太陽電池量子效率測試原理與測試系統(tǒng)的實現(xiàn)，對系統(tǒng)各部分硬件功能及作用進行了說明，并針對多結太陽電池的結構特點討論了偏置光與偏置電壓的選擇與使用.最后利用搭建的單光路量子效率測試系統(tǒng)對GaInP/GaAs/Ge 3結太陽電池進行了量子效率的測量.實踐表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量結果精度高，重復性好，已成功用于光伏器件的研發(fā).

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(責任編輯：孟素蘭)

Designandrealizationofquantumefficiencymeasurementsystemusedformulti-junctionsolarcells

LIULei，ZHANGSuo-liang，MAYa-kun,WANGYong-qing

(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002，China)

A quantum efficiency measurement system with bias lights and bias voltage was set up in order to fulfil the quantum efficency measurement of multi-junction solar cells.The principle of quantum efficiency measurement of multi-junction solar cells was expatiated, and the structure of the measurement system was illustrated in detail.The control software was also successfully developed by Visual Basic language.Further more, the use of bias lights and bias voltage, and the choice of the standard cells were discussed particularly.Finally, the system was successfully used to take the measurement of GaInP/GaAs/Ge three-junction solar cells, whose spectrum response scale ranged from 0.3 μm to 1.88 μm.

quantum efficiency； multi-junction solar cell； bias voltage； bias light

TN307

A

1000-1565(2012)01-0091-05

2011-07-11

河北大學自然科學研究計劃項目(2009-171)；河北省教育廳科學研究計劃項目(Z2010120)；河北省自然科學基金資助項目(F2011201045)

劉磊(1979-)，男，河北正定人，河北大學講師，博士，主要從事光伏器件制備與檢測相關方面研究.