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?？稍偕茉囱芯克?，青海西寧 810003)

隨著我國(guó)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的提出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在眾多太陽(yáng)電池中，晶體硅電池技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，其性能測(cè)試與表征分析方法研究也備受關(guān)注[1-2]。太陽(yáng)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(duì)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(duì)太陽(yáng)電池的直流特性參數(shù)進(jìn)行分析，而少對(duì)電池的交流特性進(jìn)行研究。太陽(yáng)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(duì)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(guò)交流阻抗譜測(cè)試技術(shù)表征分析。阻抗譜測(cè)試技術(shù)用來(lái)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(guò)程特性變化等是一種非常有效的方法[5]。

太陽(yáng)電池阻抗譜理論與實(shí)驗(yàn)方面，國(guó)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(yáng)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(yáng)極阻抗間串聯(lián)關(guān)系的不足，電子在電解液和陽(yáng)極間的傳輸具有連續(xù)性，不能簡(jiǎn)單地用兩者之和來(lái)描述總體阻抗。他發(fā)現(xiàn)用兩個(gè)串聯(lián)電路來(lái)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(duì)染料敏化太陽(yáng)電池進(jìn)行了阻抗圖譜測(cè)試，分析了不同電路參數(shù)對(duì)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(cè)試方法對(duì)多孔膜中電子在多孔膜中的復(fù)合和傳輸過(guò)程進(jìn)行了研究，并闡釋了此過(guò)程對(duì)染料敏化太陽(yáng)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(yáng)電池中[8-9]。GONZALEZ-PEDRO 等[10]使用阻抗圖譜測(cè)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(zhǎng)度、傳輸電阻和復(fù)合電阻等物理參數(shù)。RAIFUKU 等[11]對(duì)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(cè)試方法用來(lái)測(cè)量光電流對(duì)電偏壓變化的響應(yīng)，其在染料敏化、鈣鈦礦太陽(yáng)電池上有較好應(yīng)用，可以測(cè)量到很寬頻率范圍的阻抗譜來(lái)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(dòng)力學(xué)信息[12-13]。晶體硅太陽(yáng)電池是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)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(guò)程的解耦問(wèn)題，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)太陽(yáng)電池的阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，通過(guò)交流阻抗獲得晶體硅太陽(yáng)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(cè)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(dòng)信號(hào)，被輸入擾動(dòng)信號(hào)的系統(tǒng)輸出相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，進(jìn)而測(cè)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(hào)都具有振幅、頻率與相位三個(gè)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(lái)。本文采用CorrTest 交流阻抗測(cè)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(cè)試頻率范圍從1～100 000 Hz，激勵(lì)正弦波的幅值為10 mV。CS系列電化學(xué)工作站與測(cè)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(cè)得硅太陽(yáng)電池的阻抗特性，在暗態(tài)下用電化學(xué)工作站對(duì)四個(gè)不同類型電池在不同偏壓下進(jìn)行阻抗測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了四種太陽(yáng)電池的阻抗特性，分別是單晶硅AL_BSF(常規(guī)鋁背場(chǎng))太陽(yáng)電池、單晶硅PERC 太陽(yáng)電池、多晶硅AL_BSF 太陽(yáng)電池和多晶PERC 太陽(yáng)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(gè)偏壓下測(cè)量50 個(gè)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(guò)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(duì)比，從而分析影響太陽(yáng)電池性能的因素。

圖2 太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(guò)模擬所測(cè)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(méi)有虛部，故電阻相位角總是0，阻值恒為正值且與頻率無(wú)關(guān)。

電容阻抗只有虛部沒(méi)有實(shí)部，表示為：

電感的阻抗只有虛部沒(méi)有實(shí)部，表示為：

阻抗譜測(cè)試等效電路見圖3。在測(cè)試過(guò)程中若設(shè)置偏壓較低，即V≤0.5 V 時(shí)(0.5 V 太陽(yáng)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?yáng)電池的阻抗圖譜進(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(shí)，采用等效電路(a)不能對(duì)太陽(yáng)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(duì)等效電路進(jìn)行修正，通過(guò)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(lái)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(shí)，所測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了四種太陽(yáng)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?？梢钥闯觯膫€(gè)電池樣品的Nyquist 圖均表現(xiàn)出一個(gè)半圓弧即表示一個(gè)時(shí)間常數(shù)，這個(gè)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(yáng)電池具有二極管的正向?qū)ㄐ?。?duì)于同一個(gè)電池來(lái)說(shuō)，不同偏壓下的阻抗圖譜的測(cè)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(méi)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(cè)試過(guò)程中沒(méi)有表示出來(lái)；二是在小電池中存在的電感在高頻域表現(xiàn)出來(lái)，使高頻曲線疊加，導(dǎo)致傳輸線特征沒(méi)有觀察到。

圖4 四種晶體硅太陽(yáng)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(shí)，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(duì)比了四種不同硅太陽(yáng)電池的載流子壽命。從圖中可以看出單晶PERC 太陽(yáng)電池、單晶AL_BSF 太陽(yáng)電池、多晶AL_BSF 太陽(yáng)電池和多晶PERC 太陽(yáng)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(yáng)電池比單晶PERC 太陽(yáng)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(gè)鈍化層，降低了電子的復(fù)合。但是從圖中可知多晶PERC 太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(duì)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(yáng)電池性能分析表征方法，可通過(guò)該表征方法進(jìn)一步深入分析并優(yōu)化電池工藝。通過(guò)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(cè)試等方法，可對(duì)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。