中國電子科技集團公司第十八研究所 ■ 王金玉伊紀祿 袁明翰 徐正元

替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的研制

中國電子科技集團公司第十八研究所 ■ 王金玉*伊紀祿 袁明翰 徐正元

通過在單晶硅標準太陽電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標準太陽電池，減小非晶硅薄膜標準太陽電池與非晶硅薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)失配引起的測量誤差。實驗證明，替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的相對光譜響應(yīng)曲線與非晶硅薄膜太陽電池基本一致。

替代型非晶硅；薄膜；標準太陽電池；光譜響應(yīng)；光譜失配

0　引言

采用等離子體增強型化學氣相沉積法，以玻璃、不銹鋼、聚酯類膜等廉價材料為基底制備而成的非晶硅薄膜太陽電池，因其具有環(huán)境友好和原料豐富、光吸收系數(shù)高、能源回收期短、弱光效應(yīng)良好、熱穩(wěn)定性較好、顏色及造型美觀等優(yōu)點獲得了發(fā)展的契機。

如何準確測量非晶硅薄膜太陽電池的電性能參數(shù)，直接關(guān)系到生產(chǎn)廠家和客戶的經(jīng)濟利益，同樣對于電池的分類篩選和工藝改進也起著至關(guān)重要的作用。但由于非晶硅材料本身存在S-W效應(yīng)，不能直接作為標準太陽電池使用，給非晶硅薄膜太陽電池性能測試評估帶來了困難。本文通過在單晶硅標準太陽電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標準太陽電池，減小非晶硅薄膜標準太陽電池與非晶硅薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)失配誤差，提高測量結(jié)果的準確度。

1　晶體硅光譜響應(yīng)

目前國內(nèi)某些實驗室和生產(chǎn)廠家直接利用非晶硅太陽電池或晶體硅標準太陽電池作為標準進行測試，引入了很大的測試誤差。圖1為單晶硅、非晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)曲線，由圖1可看出二者之間的相對光譜響應(yīng)失配較大。

圖1　單晶硅、非晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)曲線

圖2為符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級［1］太陽模擬器的光譜曲線圖。根據(jù)IEC 60904-7-2007規(guī)定，光伏器件測量過程中若存在測試光譜和標準光譜之間的失配、標準電池和測試樣品之間的光譜響應(yīng)失配，這兩種失配共同影響測試結(jié)果，為降低二者引起的測試偏差，需進行光譜失配的計算，可由式(1)計算出［2］：

式中，Eref(λ)為IEC 60904-3-2016規(guī)定的標準光譜在波長λ處單位帶寬的輻照度；Emeas(λ)為測試光譜在波長λ處單位帶寬的輻照度；Sref(λ)、Ssample(λ)分別為標準太陽電池、被測太陽電池在波長λ處的光譜響應(yīng)。

圖2　太陽模擬器光譜分布圖

圖1所示的單晶硅、非晶硅太陽電池在太陽模擬器光譜和標準光譜之間的光譜失配系數(shù)MM=0.95。若直接使用該單晶硅太陽電池作為標準電池，設(shè)定太陽模擬器的輻照度，然后在該太陽模擬器下對圖1所示的非晶硅太陽電池進行測試，根據(jù)IEC 60904-7-2007的相關(guān)規(guī)定，將引入約5.3%(1/MM)的測試誤差。

由模擬器光譜與AM 1.5標準光譜之間的光譜失配，以及非晶硅與單晶硅太陽電池之間的光譜響應(yīng)失配引起的測試誤差，雖可通過光譜失配修正來減小，但光譜失配修正結(jié)果的準確性還需用其他標定方法進一步驗證，且這種修正方法相對繁瑣，不如直接用非晶硅薄膜標準太陽電池設(shè)定太陽模擬器的輻照度然后進行測試更簡單易行。

由于非晶硅太陽電池本身的固有缺點，直接選用非晶硅太陽電池做標準電池，遠不如在單晶硅標準太陽電池上安裝合適的濾光片模擬非晶硅太陽電池更為實際、有效，這樣可消除由于非晶硅薄膜標準太陽電池不穩(wěn)定及晶體硅、非晶硅太陽電池光譜響應(yīng)不匹配而引入的測試誤差問題。同時，我們在標準電池內(nèi)部加入測溫元件，可消除測試過程中由于溫度差而產(chǎn)生的測試誤差問題。

2　替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的制作

替代型非晶硅薄膜標準太陽電池主要由電池殼體、濾光片、晶體硅片層壓件、接插件、測溫元件等組成。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　替代型非晶硅薄膜標準電池的結(jié)構(gòu)圖

實際應(yīng)用測試中發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池光譜響應(yīng)范圍為300～1100 nm，峰值位于800～900 nm；非晶硅薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)范圍為400～800 nm，峰值位于500～600 nm。單晶硅的光譜響應(yīng)范圍大于非晶硅的光譜響應(yīng)，且單晶硅太陽電池的量子效率大于非晶硅薄膜太陽電池的量子效率。從理論上可得出，通過在單晶硅標準太陽電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標準太陽電池，來模擬非晶硅薄膜標準電池的光譜響應(yīng)。由于非晶硅薄膜太陽電池光譜響應(yīng)峰值位于500～600 nm波段，濾光片需濾掉800～900 nm波段光譜，吸收500～600 nm波段光譜，經(jīng)過試驗篩選，厚度為1 mm的青藍色玻璃較為合適。

根據(jù)IEC 60904-2-2015中對標準光伏器件的要求可知［3］：

1)將篩選好的單晶硅太陽電池(2 cm×2 cm)與EVA膠膜、黑色TPT背板、濾光片在層壓機內(nèi)層壓制備層壓件；層壓完成后，對層壓件進行篩選，剔除外觀不合格與電性能較差的層壓件。

2)在已篩選好的層壓件的正、負極上分別焊接引出線，采用四線制焊接，并將熱電偶粘貼在層壓件的背表面；待膠固化后將層壓件放入已加工好的電池殼體中，固定好后利用灌封膠封裝。

3)待膠體固化好后，將電極引出線、熱電偶、接插件等進行焊接，替代型非晶硅薄膜標準電池制作完成。

3　測試結(jié)果及使用效果

3.1替代型非晶硅薄膜標準太陽電池相對光譜響應(yīng)的測量［4］

用各種不同波長的單色光分別照射太陽電池時，由于光子能量不同和太陽電池對光的反射、吸收，以及光生載流子的收集效率等因素的影響，在輻照度相同的條件下也會產(chǎn)生不同的短路電流。用所測短路電流密度與輻照度的比值，即單位輻照度下產(chǎn)生的短路電流密度與波長的函數(shù)來定義絕對光譜響應(yīng)，用絕對光譜響應(yīng)的最大值歸一化光譜響應(yīng)來定義相對光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)反映了太陽電池對波長不同的單色光的響應(yīng)程度，是評價太陽電池光電轉(zhuǎn)換能力的指標，對分析太陽電池的工藝問題及研究太陽電池的性能有重要意義。

待光譜響應(yīng)測試儀系統(tǒng)穩(wěn)定并校準后，將替代型非晶硅薄膜標準太陽電池安裝在測試平臺上，調(diào)整單色光光斑，使標準太陽電池放在單色光照射的范圍內(nèi)，然后開始測量替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的光譜響應(yīng)，其相對光譜響應(yīng)曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，光譜響應(yīng)峰位于500～600 nm波段，在400 nm波長處的相對光譜響應(yīng)大于35%，在800 nm處的相對光譜響應(yīng)小于10%，與圖1中的非晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)曲線相似。

圖4　替代型非晶硅薄膜標準太陽電池相對光譜響應(yīng)曲線

在圖2所示的符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級太陽模擬器下，替代型非晶硅薄膜標準太陽電池與圖1所示的非晶硅太陽電池的光譜失配系數(shù)MM=1.01。根據(jù)IEC 60904-2-2015的規(guī)定，當按照IEC 60904-7-2007確定的標準太陽電池和被測太陽電池在測試所用光照下的光譜失配修正小于1%，失配修正可省略。

3.2替代型非晶硅薄膜標準太陽電池電性能的使用效果

在滿足IEC 60904-2-2015規(guī)定的天氣條件的自然光下和圖2所示符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級太陽模擬器下，對照替代型非晶硅薄膜標準太陽電池，分別測試一件尺寸為30 cm×30 cm的非晶硅光伏組件，得到該組件的短路電流Isc1= 240.8 mA、Isc2=239.0 mA，二者相差1.8 mA。所以由自然光光譜與太陽模擬器光譜之間的光譜失配和非晶硅太陽電池與單晶硅電池之間的光譜響應(yīng)共同引起的光譜失配修正MM很小。

由式(1)可知，當測試用光源的光譜分布與IEC 60904-3-2016規(guī)定的標準光譜分布相同或被測太陽電池的相對光譜響應(yīng)與標準太陽電池的相對光譜響應(yīng)相同時，可省略光譜失配修正。由此可見，尺寸為30 cm×30 cm的非晶硅光伏組件的相對光譜響應(yīng)與替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的相對光譜響應(yīng)基本相同，Isc1與Isc2差別才很小。

4　結(jié)論

在太陽模擬器下測試太陽電池的電性能時，應(yīng)盡量選擇和被測電池的相對光譜響應(yīng)曲線基本一致的標準太陽電池，根據(jù)IEC 60904-7-2007第3章的要求，不需要進行光譜失配修正。根據(jù)上述方法研制的替代型非晶硅薄膜標準太陽電池，相對光譜響應(yīng)曲線與非晶硅薄膜太陽電池基本一致，光譜失配系數(shù)MM=1.01，可省略光譜失配修正。

替代型非晶硅薄膜標準太陽電池的實現(xiàn)方式簡單、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、易于操作、成本低廉，既可作為非晶硅薄膜太陽電池測試的標準，也可作為監(jiān)測器件長期在室外連續(xù)工作。

［1］ IEC 60904-9-2007, Photovoltaic devices-Part 9∶ Solar simulator performance requirements［S］.

［2］ IEC 60904-7-2007, Photovoltaic devices-Part 7∶ Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices［S］.

［3］ IEC 60904-2-2015, Photovoltaic devices-Part 2∶ Requirements for photovoltaic reference devices［S］.

［4］ 張獻逢. 多結(jié)太陽能電池光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)中光學系統(tǒng)研究［D］. 天津∶ 河北工業(yè)大學, 2007.

2016-05-03

王金玉(1980—)，女，碩士，主要從事太陽電池測試方面的研究。yugi0501@163.com