李鐵成　石雷兵　林方盛 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

太陽能電池光譜響應(yīng)度測量方法的分析與比較*

李鐵成石雷兵林方盛 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

介紹太陽能電池光譜響應(yīng)度的兩種測量方法，即濾色片法和單色儀法，分析和比較其優(yōu)缺點(diǎn)，并用這兩種方法，對不同類型的太陽能電池（單晶硅和多晶硅）進(jìn)行測量。結(jié)果表明，單色儀法能夠反映該位置處太陽能電池的光譜響應(yīng)特性；濾色片法更能準(zhǔn)確反映出整塊太陽能電池的光譜響應(yīng)特性。光譜響應(yīng)度的準(zhǔn)確計(jì)量是實(shí)現(xiàn)太陽能量值傳遞和比對的關(guān)鍵技術(shù)。

太陽能電池；光譜響應(yīng)度；濾色片法；單色儀法

0　引言

光譜響應(yīng)度定義為太陽能電池在特定波長單位輻照度下的短路電流值，單位為A·W-1，它反映了太陽能電池對不同波長單色光的響應(yīng)程度，太陽能電池的光譜響應(yīng)度測量對于研究和開發(fā)太陽能電池具有重要意義［1］。

根據(jù)測量原理的不同，光譜響應(yīng)度的測量方法可分為濾色片法和單色儀法［2］。濾色片法使用濾色片來生成不同波長的單色光，輻照強(qiáng)度較高，光束面積可變，適用于大面積太陽能電池的測試，如美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所（ISE）等實(shí)驗(yàn)室［3］；單色儀法使用單色儀產(chǎn)生不同波長的單色光，波長間隔小，準(zhǔn)確度高，適用于小面積太陽能電池的測試，如德國物理技術(shù)研究院（PTB）和中國計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）［4］。

本文針對兩種不同的光譜響應(yīng)度測量方法進(jìn)行分析，并使用上述兩種方法，對不同材料的太陽能電池進(jìn)行了測量，得到了較好的結(jié)果。

1　光譜響應(yīng)度測量方法

光譜響應(yīng)度的測量過程為：光源產(chǎn)生的單色光通過斬波器之后，照射到樣品電池的表面，此時(shí)樣品電池的響應(yīng)為It，將標(biāo)準(zhǔn)電池放置在樣品電池同一位置，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的響應(yīng)為Ir，已知標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)度為Sr，則樣品電池的響應(yīng)St為

當(dāng)單色光由濾色片產(chǎn)生時(shí)（如圖1所示），即為濾色片法。

當(dāng)單色光由單色儀產(chǎn)生時(shí)（如圖2所示），即為單色儀法。

在日常的生產(chǎn)和檢測過程中，大量遇到的是大面積的太陽能電池和組件。一般情況下，太陽能電池的受光面積會大于單色光照射面積且太陽能電池的光譜響應(yīng)度并不均勻，即單色光只能照射到太陽能電池的一部分［6］，如圖3所示。

圖3　多晶太陽能電池的部分單色照明

此時(shí)的光譜響應(yīng)度測量值并不能代表整塊太陽能電池的實(shí)際值。在這種情況下，由光譜響應(yīng)度計(jì)算得到的短路電流值將會大大高于或者低于實(shí)際值（最大可能超過10%）［7］。單色儀法的光斑面積較小，用于大面積太陽能電池的測試時(shí)，一般都存在上述問題。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對單晶和多晶太陽能電池（尺寸為156 mm× 156 mm），分別使用濾色片法和單色儀法測量其光譜響應(yīng)度。

2.1單晶太陽能電池

使用濾色片法測量單晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度，濾色片法產(chǎn)生的單色光面積大于單晶太陽能電池的受光面積，結(jié)果如圖4所示。

使用單色儀法測量單晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度，單色儀法產(chǎn)生的單色光面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單晶太陽能電池的受光面積，一般小于柵線面積，實(shí)驗(yàn)選取電池的右上方、正中間和左下方3處位置進(jìn)行測量（圖5）。

不同位置處的單色儀法與濾色片法測量結(jié)果的差別如圖6所示。

對于單晶太陽能電池，不同位置處的材料均為單晶硅，理論光譜響應(yīng)度應(yīng)當(dāng)相同。然而由圖4和圖6可知，右上和中間位置處的光譜響應(yīng)度比較接近，但與左下位置處的光譜響應(yīng)度存在較大差別，

圖4　單晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度

圖5　單晶太陽能電池單色儀法測量位置

圖6二種測量方法的差值即不同位置處的光譜響應(yīng)度并不均勻，原因是單晶太陽能電池在生產(chǎn)過程中不可避免會產(chǎn)生一定的缺陷，即使其原料只含單晶硅，也會導(dǎo)致其不同位置處光譜響應(yīng)度的不一致性。

同時(shí)，圖6還表明，濾色片法得到的單晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度測量結(jié)果與不同位置處單色儀法得到的測量結(jié)果不同。一方面，由于單晶太陽能電池本身存在的固有缺陷；另一方面，太陽能電池中的柵線電極不是硅半導(dǎo)體材料，不具備光生電流的特性，無法為短路電流的產(chǎn)生提供幫助，因此也會影響光譜響應(yīng)度的測量。

2.2多晶太陽能電池

使用濾色片法測量多晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度，濾色片法產(chǎn)生的單色光面積大于多晶太陽能電池的受光面積，結(jié)果如圖7所示。

使用單色儀法測量多晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度，單色儀法產(chǎn)生的單色光面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多晶太陽能電池的受光面積，一般小于柵線面積，實(shí)驗(yàn)中選擇了電池的右上方、右下方、正中間、左上方和左下方5處位置進(jìn)行測量，如圖8所示。

不同位置處的單色儀法與濾色片法測量結(jié)果的差別如圖9所示。

圖7　多晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度

圖8　多晶太陽能電池單色儀法測量位置

圖9　多晶太陽能電池單色儀法與濾色片法測量結(jié)果的差值

對于多晶太陽能電池，不同位置處的硅材料在晶面方向、導(dǎo)電類型和電阻率等方面會有所不同，因此其理論光譜響應(yīng)度也會存在相應(yīng)的差異。如圖9所示，多晶太陽能電池在不同位置處的光譜響應(yīng)度確實(shí)并不均勻。特別的，單色儀法在右上位置的光譜響應(yīng)度測量結(jié)果與其他位置的測量結(jié)果差距最大，原因是此處的單色光正好照射在晶粒的邊界上，其光電特性存在突變。

圖9同時(shí)表明，濾色片法得到的多晶太陽能電池的光譜響應(yīng)度測量結(jié)果與不同位置處單色儀法得到的測量結(jié)果并不相同。一方面，與單晶太陽能電池類似，原因包括太陽能電池本身的缺陷和柵線電極；另一方面，多晶太陽能電池在晶體結(jié)構(gòu)和特性方面較單晶太陽能電池也更加復(fù)雜。因此，使用單色儀法得到的光譜響應(yīng)度測量結(jié)果只能反映該位置處多晶太陽能電池的光譜響應(yīng)特性，而濾色片法得到的光譜響應(yīng)度測量結(jié)果更能準(zhǔn)確反映出整塊多晶太陽能電池（晶體結(jié)構(gòu)和柵線電極）的光譜響應(yīng)特性。

3　結(jié)語

分別采用濾色片法和單色儀法，對不同類型的太陽能電池（單晶硅和多晶硅）進(jìn)行了光譜響應(yīng)度的測量，結(jié)果表明，對單晶太陽能電池，即使材料相同，不同位置處的光譜響應(yīng)度的測量結(jié)果也會不同；對多晶太陽能電池，由于材料在晶體結(jié)構(gòu)方面的復(fù)雜性，不同位置處的光譜響應(yīng)度的測量結(jié)果會有較大差異。因此，針對大面積的單晶或多晶太陽能電池，為了準(zhǔn)確反映整塊電池的光譜響應(yīng)特性，濾色片法比單色儀法會更加合適。

［1］ International Electrotechnical Commission. 60904-4-2009［S］. Geneva， 2009.

［2］ Boivin L P， Budde W， Dodd C X， et al. Spectral response measurement apparatus for large area solar cells［J］. Applied optics， 1986， 25（16）：2715-2719.

［3］ Dunlavy D， Field H， Moriarty T. Photovoltaic spectral responsivity measurements［M］. National Renewable Energy Laboratory， 1998.

［4］ Metzdorf J， Winter S， Wittchen T. Radiometry in photovoltaics：calibration of reference solar cells and evaluation of reference values［J］. Metrologia， 2000， 37（5）： 573.

［5］ International Electrotechnical Commission. 60904-8-1998［S］. Geneva， 1998.

［6］ Mckel H， Cuevas A. Capturing the spectral response of solar cells with a quasi-steady-state， large-signal technique［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2006， 14（3）： 203-212.

［7］ Pravettoni M， Komlan A， Galleano R， et al. An alternative method for spectral response measurements of large-area thin-film photovoltaic modules［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications，2012， 20（4）： 416-422.

Analysis and comparison of different spectral response measurement methods of solar cell

Li Tiecheng，Shi Leibing，Lin Fangsheng
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Two different methods for determining the spectral response of solar cells， filter method and monochromator method， have been introduced in this paper. Each method has its own benefits and drawbacks. Both of two methods have been used to measure the spectral response of different kinds of solar cells， such as monocrystalline silicon and polycrystalline silicon. The measurement result of monochromator method only represents the spectral characteristics of different parts；the measurement result of filter method is more suitable to describe the spectral characteristics of the whole cell. The metrology of spectral response is the key technology for the calibration of solar energy.

solar cell； spectral response； filter method； monochromator method

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013QK128）