不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究

王少熙，杜幸芝，樊晓桠



不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究

王少熙，杜幸芝，樊晓桠

（西北工业大学 软件与微电子学院，西安 陕西 710072）

目前市场上太阳能电池种类繁多，不同电池具有不同的结构、工艺、材料掺杂等；此外，太阳能模拟器还不尽完善。因此导致采用太阳能模拟器进行太阳能电池测试具有较大差异性。本文首先选取P型电池，HIT电池，IBC电池为研究对象，建立五参数模型，评估各种不同类型及不同结构电池在AM1.5下的响应特性，得出了电流与辐照度呈明显的正线性关系，功率与辐照度大致成正线性关系；其次改变辐照度参数值，评估同一结构电池在不同太阳能模拟器光谱下的响应特性，得出外量子效率和内量子效率随波长的变化规律；此外分析仿真平台的适应性以及根据测量数据利用数学模型计算短路电流和辐照度相关系数。

太阳能电池；光谱响应；测试；辐照度；量子效应；差异性

随着石化资源的逐年减少以及日益严重的生态环境破坏，清洁可再生能源成为人类寻找的替代品。在此背景下太阳能电池发展迅猛，1990~1996年，全球太阳能电池年产量以12%左右速度增长。1997~2010年，年产量以40%左右速度增长。在2015年产量已经高达141 585 MW。太阳能电池的效率由最开始的百分之几到百分之十几再到现如今的24%左右[1]。如今，市场上光伏电池种类繁多，主要类型有以下几种：传统的P型电池、N型电池、背钝化电池、HIT电池以及IBC电池。

然而如何对电池相关参数进行准确测试，从而对其性能进行综合分析变得至关重要。目前常规是利用太阳能模拟器尽可能地模拟AM1.5光谱，并对其电性能进行评测。但是，不同的太阳能模拟器的光谱不相同，并受升温等因素的影响。一般来说，太阳能模拟器为闪光模拟器，闪光的时间长短不同，可造成太阳能电池性能的差异。如何对不同结构类型电池的电性能测试进行比较科学合理的评估并没有一个明确的方案[2-3]。因此本文研究光谱差异性对测试的影响，分析不同光谱响应电池在不同光谱下的测试差异表现，仿真电池校准和测试时短路电流的修正系数，以及分析仿真平台不同导致的影响。

研究太阳能电池在不同光谱下的测试差异，需要关注两个变量：不同光谱响应的电池和不同光谱的环境。采用控制变量法：首先，在相同的光谱测试条件下，研究具有不同光谱响应的电池，选择不同类型的光伏电池分别进行测试，再分析比较。另外，对于同一电池，对不同光谱进行测试。最后对数据结果进行分析，得到短路电流的修正系数。

1 太阳能电池模型

太阳能电池利用光生伏特效应将太阳光能转化为电能。当光照在电池上，部分太阳光被反射，剩余太阳光透过半导体或被半导体吸收。由于PN（Positive Negative）结吸收光能量，体内电子获得光能并释放电子，产生电子-空穴对。

1.1 指数模型

太阳能电池中起主要作用的为PN结，可等效为一个理想电流源与理想二极管的并联，由于制作太阳能电池的材料有电阻率，引入电阻：Rs和Rsh。Rs表示扩散区的表面电阻、电池体电阻以及电极之间电阻的串联电阻。Rsh表示由于载流子产生复合以及电池边缘的漏电流所引起的并联电阻。模型见图1所示[4]。

图1 太阳能电池的单指数模型

则输出的-方程为：

式中：ph为太阳能电池的光生电流；d为二极管的电流；sh为并联电阻中电流。为玻尔兹曼常数，数值为1.38×10–23J/K；为太阳能电池面积；为热力学温度；由以上公式可推导出太阳能电池的单指数模型公式为：

1.2 太阳能电池重要参数

开路电压oc：电流为0时测量的电压值；短路电流sc：电压为0时测量的电流值；转化效率：表示太阳能电池将光能转化为电能的能力大小，计算公式为[5]：

填充因子FF(Fill Factor)：表示由于器件电阻而导致的损失，计算公式为：

外量子效率EQE（External Quantum Efficiency）,内量子效率IQE (Internal Quantum Efficiency)：表示电池性能，计算公式分别为：

1.3 仿真分析研究对象

（1）P型电池

P型电池和N型电池相对应，P型电池衬底采用P型掺杂，P-N结位于电池表面，背表面层为背表面场，用于减少背表面复合。和N型相比，P型具有工艺简单，成本低的优点，但是同时又具有最高转化效率有瓶颈的缺点。

所选取模型为PERL（Passivated Emitter Rear Locally-Diffused）电池。其中开路电压oc为696.3 mV，短路电流sc为42.4 mA，转化效率为23.76%，填充因子（FF）为80.52%。

PERL电池，又名钝化发射极背部局域扩散，由澳大利亚的新南威尔士大学光伏器件实验中心所研发，是迄今为止P型电池中效率最高的。结构为上表面N掺杂，采用了倒金字塔结构，该结构优于绒面结构，并使用了双层减反射技术，可以有效减少表面的反射率；背面点接触进行局部扩散，可以减少背表面复合，并有效减少接触电阻。

（2）HIT电池

HIT（Hetero Junction with Intrinsic Thin-Layer）电池，又叫异质结太阳能电池，是单晶硅和非晶硅的混合。在发射极与基片以及背面浓度掺杂层与基片之间添加了一层本征非晶硅层，在P型氢化非晶硅薄膜（a-Si:H）和N型氢化非晶硅与N型硅衬底之间增加一层本征氢化非晶硅薄膜，形成了异质结。其具有很高的开路电压，钝化效果好，工艺制造温度低，高温特性好。结构具有对称性，是双面电池。所选模型的研究对象为由日本松下公司所研发的HIT电池，其中，开路电压oc为750 mV，短路电流sc为39.5mA，转化效率为24.7%，填充因子（FF）为83.2%。

（3）IBC电池

IBC（Interdigitated Back-Contact）电池，又叫背电极接触硅太阳能电池。是将传统电池正面的栅极放置后表面，正负极交叉排列。使得接收太阳光的电池正面完全没有栅极的遮挡，能够最大限度吸收太阳光，极大地增加了电池接收太阳光的面积，从而有效提高转化效率。结构前表面采用表面制绒技术，减小反射率，背面的引出电极的交叉接触，可以保证电流的及时引出。

所选模型的研究对象为由美国sunpower公司所研发的最新高效IBC电池，其中，开路电压oc为706 mV，短路电流sc为42.1 mA，转化效率为25%，填充因子（FF）为82.8%[6-7]。

2 仿真

2.1 同等辐照条件三种电池测试差异仿真结果

标准辐照度下-图像如图2~4所示。

图2 PERL标准光谱仿真图像

图3 HIT标准光谱仿真图像

图4 IBC标准光谱下仿真图形

2.2 同一电池不同辐照条件下的仿真分析

当改变辐照度时，三种电池电流和功率随辐照度变化的测量数值分别如表1和表2所示。

表1 电池I随不同辐照度G的变化测量值

表2 电池P随不同辐照度G的变化测量值

选取对象为PERL电池，查找相应的参数，标准仿真下短路电流sc为8.214 A，oc为0.6336 V；功率为4.153 W。利用相关公式计算得出：填充因子FF为79.80%，转化效率为17.54%。

研究PERL电池性能随光谱强度的变化，改变软件中的参数，仿真输出。同时更加直观地表示PERL电池随光谱强度性能的变化，将开路电压oc、短路电流sc、最大功率max随变化的测量数值列在表3中。

表3 Isc/Pmax/Uoc随G变化的测量数值

3 实验分析

分析表3，数据变化为线性，如图5所示。

图5 仿真电池性能随辐照度的变化

（1）观察各个电池的-图像，可以看到：每个图像的电流值随着电压的变化都会出现一段过程的平缓期，然后再急剧下降。电流值从短路电流降到零值，电压值从零值变为开路电压值。该曲线上的每一点都称为工作点，每一点与远点的连线称为负载线，其倒数值等于负载电阻。而功率电流曲线则是功率先随电压大致呈线性变化，到达顶峰后，再以不同斜率的速度下降。当太阳能电池电压从零开始增大时，功率也从零开始增大，电压增大到一定值时，功率到达最大值，称为最大功率m。此点所对应的电压，称为最大工作电压或者最大功率电压，此点所对应的电流，称为最大工作电流或者最大功率电流。该点与原点连线的倒数称为最佳负载电阻。

（2）对于同一电池来说，无论是PERL电池、HIT电池还是IBC电池，功率和电流都随太阳辐照度的减小而减小，并观测到，电流与辐照度呈明显的正线性关系，功率与辐照度大致成正线性关系。这一点不难理解：因为太阳辐照度就是太阳的能量穿过大气层，经过其消耗、反射、折射等作用后到达地球表面的单位面积单位时间内的能量，所以，太阳能电池表面所获得的辐照度越少，那么经过其转化的能量也就越少，即功率电流也就越低。

（3）对比三种不同的电池，P型的PERL电池，N型的HIT电池和IBC电池，随辐照度的减小，电流功率的变化幅度大致相同。

（4）模拟仿真了PERL电池在AM1.5测试条件下，外量子效率EQE和内量子效率IEQ随波长的变化情况，并测试到，在波长670 nm时，内量子效率达到最大值99.20%；波长为600 nm，外量子效率最大值为94.12%。在波长小于400 nm时，量子效率较低，在400~1000 nm之间，量子效率较高，在1000 nm以上，量子效率迅速减少。这是因为量子效率就是电池受到入射到表面的光子所产生的电子空穴数与入射光子数目之比，而波长大于1000 nm的光有很大的透射，所以量子效率减少。EQE和IQE数值不同是因为PERL前表面的减反射膜和硅表面的陷光结构状况以及背表面的钝化情况的影响。

（5）为了更加准确地描述短路电流和辐照度之间的关系，采用线性回归方程拟合数据。利用数据常采用最小二乘法逼近模拟，公式为=+。其中为短路电流，为辐照度。拟合方程如下：

使用上述公式计算表3的数据，通过计算得到=0.008 22，=0.003 2，即得出短路电流在与辐照度的线性系数为0.008 22。这里应注意，此系数是针对电池总面积的短路电流与辐照度的线性系数。

4 结论

本文首先选取P型电池、HIT电池、IBC电池为研究对象，建立五参数模型，评估各种类型及不同结构电池在AM1.5下的响应特性；其次改变辐照度参数值，评估同一结构电池在不同太阳能模拟器光谱下的响应特性；此外分析仿真平台的适应性以及根据测量数据利用数学模型计算短路电流和辐照度相关系数，得出短路电流与辐照度的线性系数为0.008 22。

[1] SINGH R, POLU A R, BHATTACHARYA B, et al. Perspectives for solid biopolymer electrolytes in dye sensitized solar cell and battery application [J]. Renew Sust Energy Rev, 2016, 65: 1098-1117.

[2] YELLA A, LEE H W, TSAO H N, et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency [J]. Science, 2011, 334(6056): 629-634.

[3] CHEN C C, CHANG W H, YOSHIMURA K, et al. An efficient triple‐junction polymer solar cell having a power conversion efficiency exceeding 11% [J]. Adv Mater, 2014, 26(32): 5670-5677.

[4] 孙乐飞. 太阳能电池性能参数测量模型研究[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2011.

[5] DOU L, YOU J, YANG J, et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer [J]. Nat Photonics, 2012, 6(3): 180-185.

[6] GREEN M A, EMERY K, HISHIKAWA Y, et al. Solar cell efficiency tables (Version 45) [J]. Prog Photovoltaics: Res Appl, 2015, 23(1): 1-9.

[7] 傅望, 周林, 郭珂, 等. 太阳能电池工程用数学模型研究[J]. 电工技术学报, 2011, 26(10): 211-216.

（编辑：陈丰）

Study of difference when testing solar cell having different spectral response

WANG Shaoxi, DU Xinzhi, FAN Xiaoya

(School of Software and Microelectronics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

There are many kinds of solar cells nowadays, all of which have specific structure, materials, and process parameters. Moreover, the simulators for soar cells’ research are not precise. Therefore, obvious differences are available when simulating the test of different solar cells using such simulators. To solve this problem, the paper adopted P type, HIT and IBC solar cells, and used five parameters model to characterize solar cells. Then the response characteristics of the solar cells with different types and different structures were analyzed under AM1.5 condition. The results show there are positive correlation between current, power and irradiance. Also the response characteristics of the cell with the same type and structure were analyzed using different solar simulators. The disciplinarian between external quantum efficiency, internal quantum efficiency and wavelength were achieved. At last, the relationship between the short-circuit current and irradiance was obtained when using the measurement values and the linear regression equation.

solar cell; spectral response; test; irradiance; quantum efficiency; difference

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.005

TN36

A

1001-2028（2018）02-0030-05

陕西省工业科技攻关项目（2016GY-091）；深圳基础研究基金项目(JCYJ20160429153110908)

2017-11-22

王少熙

王少熙（1981－），男，江西武宁人，副教授，博士，研究方向为半导体器件与可靠性、微流控芯片。