不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究-王少熙-西北工业大学.pdf

第 37 卷 第 2 期 电 子 元 件 与 材 料 V ol.37 No.2 2018 年 2 月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Feb. 2018 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） 摘要: 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。 关键 词: 太阳能电池；光谱响应；测试；辐照度；量子效应；差异性 doi: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.005 中图 分类 号: TN36 文献 标识 码:A 文章 编号:1001-2028 （2018 ）02-0030-05 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) Abstract: 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. Key words: solar cell; spectral response; test; irradiance; quantum efficiency; difference 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 研 究 与 试 制 基金 项目：陕西省工业科技攻关项目（2016GY-091） ；深圳基础研究基金项目(JCYJ20160429153110908) 收稿 日期 ：2017-11-22 通讯作者：王少熙 作者 简介：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。 第 37卷 第 2 期 31 王少熙等：不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究 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：R s 和 R sh 。R s 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。 R sh 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 Fig.1 The single-index model of solar cells 则输出的 I-V方程为： ph d sh I I I I = - - (1) d 0 exp( 1) qU I I AT κ = - (2) 式中：I ph 为太阳能电池的光生电流；I d 为二极管的 电流；I sh 为并联电阻中电流。κ为玻尔兹曼常数，数 值为 1.38×10 –23 J/K； A为太阳能电池面积； T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： { } S S ph 01 sh ( ) exp 1 q U IR U IR I I I AT R κ + +   = - - -     (3) 1.2 太阳能电池 重要参数 开路电压 U oc ：电流为 0时测量的电压值；短路 电流 I 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] ： out sc oc in in (FF) P I U P P η= = (4) 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： m m m sc oc sc oc FF P I U I U I U = = (5) 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： EQE= 外部电路电子数 入射光子 (6) IQE= 内部电路电子数 入射光子 (7) 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 R sh R s I ph I d U 32 王少熙等：不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究 V ol.37 No.2 Feb. 2018 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 U oc 为 696.3 mV，短路电流 I 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 U oc 为 750 mV，短路电 流 I sc 为 39.5 mA，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 U oc 为 706 mV，短路电流 I 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 I-V图像如图 2~4所示。 (a) PERL标准光谱下 I-V图像 (b) PERL标准光谱下 P-V图像 图 2 PERL标准光谱仿真图像 Fig.2 The standard spectra simulation results for PERL （a）HIT标准光谱下 I-V图像 （b）HIT标准光谱下 P-V图像 图 3 HIT标准光谱仿真图像 Fig.3 The standard spectra simulation results for HIT 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 电流 / A 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 0 0.5 1.0 1.5 2.0 功率 / W 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 电流 / A 0 0.5 1.0 1.5 2.0 功率 / W 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 第 37卷 第 2 期 33 王少熙等：不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究 （a）IBC标准光谱下 I-V图像 （b）IBC标准光谱下 P-V图像 图 4 IBC标准光谱下仿真图形 Fig.4 The standard spectra simulation results for IBC 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 I和功率 P随 辐照度 G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 Fig.1 The change of the I of the battery with G 表 2 电 池 P 随 不同辐 照度 G 的 变 化测 量值 Fig.2 The change of the P of the battery with G 选取对象为 PERL电池，查找相应的参数，标 准仿真下短路电流 I sc 为 8.214 A，U 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 G，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 U oc 、 短路电流 I sc 、最大功率 P max 随 G变化的测量数值列 在表 3中。 表 3 I sc /P max /U oc 随 G 变 化的 测量 数值 Fig.3 The change of I sc /P max /U oc with G 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 Fig.5 The cell simulation peformance viriation results with irradiance （1）观察各个电池的 I-V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 P 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。 G/(W·m –2 ) 900 800 600 400 200 I sc / A 7.393 6.571 4.928 3.285 1.643 P max / W 3.745 3.323 2.458 1.609 0.788 U oc / V 0.631 0.6278 0.620 0.609 0.591 G/(W·m –2 ) 1000 800 600 400 200 P / W PERL 0.022 0.018 0.014 0.008 0.005 HIT 0.024 0.020 0.014 0.010 0.005 IBC 0.024 0.018 0.015 0.009 0.005 G/(W·m –2 ) 1000 800 600 400 200 I / A PERL 0.042 0.034 0.025 0.017 0.009 HIT 0.039 0.032 0.024 0.016 0.008 IBC 0.042 0.034 0.025 0.018 0.008 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 电流 / A 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 电压 / V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 功率 / W I 8 7 6 5 4 3 2 1 0 I/A; P/W; U/V 900 800 700 600 500 400 300 200 100 G / (W·m –2 ) P U 34 王少熙等：不同光谱响应太阳能电池测试差异性研究 V ol.37 No.2 Feb. 2018 （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 y=bx+a。其中 y为短路电流，x为辐照度 G。拟合方程如下： - - - = x b y a ∑ ∑ = - = - - - - = n i i n i i i x n x x y n y x b 1 2 2 1 使用上述公式计算表 3的数据，通过计算得到 b=0.008 22， a=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。 参考文献 ： [1] SINGH R, POLU A R, BHA TTACHARYA 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） （8） （9）