黃尚永

(北京建筑大學，北京　102612)

太陽能電池光譜響應特性實驗研究

黃尚永

(北京建筑大學，北京102612)

摘 要：光譜響應特性是太陽能電池的一項重要性能，但限于測量條件等一般無法精確測定。該文討論了太陽能電池光譜響應的基本概念，回顧了以前的主要測量方法，介紹了兩種新的可實現(xiàn)光譜響應度測量的實驗裝置，并通過具體數(shù)據(jù)分析了們的優(yōu)點和不足。

關鍵詞：太陽能電池；光譜響應特性；標準探測器

太陽能電池作為光伏發(fā)電的重要器件，其參數(shù)測量和特性研究是從業(yè)者須了解和掌握的基本知識[1-2]。一般對太陽能電池的測量中，先測其無光照情況下的暗特性，然后是光照特性測試，包括不同光強、不同溫度情況下，單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池的短路電流和開路電壓，尋找最大功率點，計算填充因子等，這些過程易于理解，所測數(shù)據(jù)也基本可靠。但涉及到光譜響應特性的測量，從理論到實踐上總是存在一些問題，使得測量結果只是作為定性參考，而不足于作為定量。本文將對這些問題展開討論。

1太陽能電池光譜響應特性的概念和測量方法

光譜響應特性表示不同波長的光子產(chǎn)生電子—空穴對的能力，即某一波長的光照射到電池表面時，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)。從應用角度講，電池的光譜響應特性與光源的輻射光譜特性匹配非常重要，可以充分利用光能和提高光電轉換效率。比如，有的電池在太陽光照射下能進行有效光電轉換，但在熒光燈照射下則不能。不同的光源，光譜和光強照射下，也會引起電池輸出的變動，因此有必要深入研究光譜響應特性。根據(jù)上述基本定義，光譜響應可表示為

式中，JSC(λ)是電池的短路電流密度、q是電子電荷，F(xiàn)(λ)是太陽光子流密度、r(λ)是電池表面的反射率[3]。而此定義中的短路電流密度、光子流迷路、反射率等諸量都是無法直接準確測量的。

在此定義中，短路電流是容易測定的，而輻射功率就無法直接測量，需要通過另外標準光強探測器輔助測定。

上述定義中電池和探測器的響應度均為絕對響應度，在得到絕對響應曲線后，將線上各點均除于最大值，則得到相對光譜響應曲線，相對光譜響應曲線應用更廣泛，一般測量裝置中也是給出探測器的相對光譜響應。

對于標準探測器的設置，早期一般采用雙光路結構，即單色光分成兩束分別照射到電池和標準探測器上，分別檢測輸出電壓[4-5]。但雙光路結構為了提高測量精度在光路中放置較多器件，一般光學系統(tǒng)比雜，不易于普及。王殿元等人則利用溴鎢燈光源，先標定了硅探測器的光譜響應曲線，然后測得電池在單色光下短路電流，進而獲得光譜響應曲線[6]。張建民等對硅光電探測器光譜響應度測量標準裝置進行了討論，分析了可能產(chǎn)生的誤差，這類裝置提供的光譜響應相對不確定度測量一般在0.5%左右，有望實現(xiàn)0.1%[7-8]。現(xiàn)在實驗室中一般采用經(jīng)過光譜標定的標準光強探測器。其相對光譜響應度以表格或曲線方式作為標準給出，以方便實驗者使用。

上述所涉及文獻中測量方法總體上是基于光源-單色儀的測量裝置，即通過比較被探測器(電池)和標準探測器對單色光輻射的響應，得到被探測器的光譜響應度，其目前應用最廣泛，但測量精度要求高，對測量條件和細節(jié)要求較為嚴苛。其產(chǎn)生不確定度的來源主要是單色儀性能，或者說單色光的產(chǎn)生方式，其次是光源，下面談論的兩種測量方法光源和單色光產(chǎn)生方式就各不相同，掌握理論和測量方法，而難以保證測量精度。另有基于激光的測量裝置，通過可調(diào)諧激光輸出經(jīng)穩(wěn)定器后進入積分球產(chǎn)生均勻的準朗伯分布的高輻射通量光源以照射探測器，由于激光具有一系列優(yōu)點，其測量極為精準但造價昂貴，維護成本高。

2兩種測定光譜響應特性的實驗裝置

2.1光電技術綜合實驗平臺

實驗平臺采用高亮度LED(白、紅、橙、黃、綠、藍、紫)作為光源，產(chǎn)生400～630 nm離散光譜。通過測量電壓的方法，定義和測量硅光電池的光譜響應特性。

式中，P(λ)為波長為λ時的入射光功率；V(λ)為電池在入射光功率P(λ)作用下的輸出信號電壓。

基準光強探測器，在相同光功率的輻射下，

式中U為不同單色光下電池輸出電壓，Uf為基準探測器顯示的電壓值， Rf(λ)為基準探測器的響應度。在測試過程中,Uf取相同值,則硅光電池的響應度大小由Rv(λ)=URf(λ)的大小確定.圖1為說明書給定基準探測器的光譜響應曲線，從圖上可得到下表中數(shù)據(jù)，即基準探測器對每個單色波長的相對響應度。

圖1　標準探測器的光譜響應曲線

波長/nm紅/630橙/605黃/585綠/520藍/460紫/400基準響應度0.650.610.560.420.250.06電壓/mV0.2700.2660.2570.2450.2800.252電池響應度0.1760.1620.1430.1030.070.015

根據(jù)自測數(shù)據(jù)，可得到硅光電池的光譜響應度曲線，見圖2。

圖2　所測硅光電池的光譜響應曲線

2.2太陽能光伏電池實驗(探究型)系統(tǒng)

統(tǒng)采用高亮度氙燈作為光源，通過加置395～1 035 nm的濾色片而得到單色光，通過光強探測器探測光強，,測定每個波長的短路電I(λ)，則電池的相對光譜響應特性。此裝置上還可以調(diào)節(jié)溫度，并提供單晶硅、多晶硅、非晶硅3種不同類型電池便于比較。

說明書并未給出探測器的光譜響應曲線，根據(jù)給出數(shù)據(jù)描繪出的圖線如圖3，可以看到和圖1所示曲線基本相同。由濾色片得到單色光，光譜范圍有所擴大，較上多了幾個可見光以外的數(shù)據(jù)。

表2中數(shù)據(jù)所用測試樣品為單晶硅電池，在加置濾色片測量光強時系統(tǒng)可同時測出探測器的短路電流，然后換上電池片測出對應的短路電流。將歸一化后的電池相對響應度作圖，則得到圖4，可以看到660 nm的數(shù)據(jù)稍有偏差，660 nm處電池電流和探測器電流都顯著變大，但歸一化響應度相對略小?？傮w上符合光譜響應曲線。

表2　太陽能光伏實驗系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)

圖3　光強探測器的光譜響應曲線

圖4　所測電池的光譜響應曲線

3討論

硅太陽能電池對不同波長的光有不同的靈敏度，能夠產(chǎn)生有效光伏效應的太陽輻射波長范圍是400～1 100 nm,硅太陽能電池的光譜響應的靈敏度最大值集中在900 nm左右[6]。本文中采用兩種測量儀器，所測數(shù)據(jù)和圖線與上述結論較好符合。若用高亮度LED作為光源，光源便于切換，現(xiàn)象較為明顯，易于觀察，但受可見光波長范圍限制，僅能提供400～600 nm范圍內(nèi)有限的幾個可見光波長，難以測定700 nm以上范圍。而用氙燈作為光源，原則上可以加任意波長的濾色片，得到相應的數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)溫度控制。操作過程大多由軟件控制完成，只需簡單換下濾色片和電池片，調(diào)節(jié)下軟件界面相應參數(shù)，但軟件對所測數(shù)據(jù)進行曲線擬合的功能還需進一步加強。這兩套實驗系統(tǒng)可以配合使用，便于使用者加深對光譜相應概念的理解，掌握測量方法。

參考文獻：

[1]邵錚錚，李修建，戴榮銘.太陽能電池用多晶硅材料少數(shù)載流子壽命的測試[J].大學物理實驗，2015(3)：21-24.

[2]劉海青，許飛.太陽能電池簡析[J].大學物理實驗，2015(1)：22-23.

[3]王濤，王正志.微光關照強度下太陽電池應用研究 [J].光電技術應用，2006(21):32-35.

[4]楊延娥.太陽電池光譜響應的等能測量[J].物理實驗,1986，6(6):253-255.

[5]王世昌，劉湘生.SSAM-30型太陽電池光譜響應自動測試儀[J]..太陽能學報，1998():323-324.

[6]王殿元,王慶凱.硅太陽能電池光譜響應曲線測定研究性實驗[J].物理實驗，2007,27(9):8-10.

[7]張建民，林延東.硅光電探測器光譜響應度測量標準裝置[J].計量學報，1998(3):194-198.

[8]中國科學技術協(xié)會主編.照明科學與技術學科發(fā)展報告2010-2011[M].北京，中國科學技術出版社，2011:60-61.

Research of Solar Cell Spectral Response Experiments

HUANG Shang-yong

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102612)

Abstract：The spectral response if one important characters of solar cells,but usually can’t be measured correctly.It discuss the basic concepts of spectral response,summarize the main measure methods used before,and introduce two new appratus used to measure the spectral response,analyse the advertages and disadvertages by data and graphs.

Key words：solar cells；spectral response；standard dector

收稿日期：2015-11-20

基金項目：北京建筑大學校設科學研究基金項目(Z12087,101203107 )

文章編號：1007-2934(2016)02-0006-03

中圖分類號：O 4-34

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.002