多结太阳电池量子效率测试系统的设计与实现

刘磊，张锁良，马亚坤，王永青

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

多结太阳电池量子效率测试系统的设计与实现

刘磊，张锁良，马亚坤，王永青

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

为满足多结太阳电池各子电池量子效率的测量，搭建了一套带有偏置光与偏置电压的量子效率测试系统.在阐述了多结太阳电池量子效率测试的原理的基础上，详细介绍了测试系统的结构，并采用Visual Basic语言成功开发了测试系统的控制软件.特别讨论了偏置光与偏置电压的应用与标准电池的选择，最后利用该系统成功地测试了GaInP/GaAs/Ge 3结太阳电池的量子效率，光谱响应为0.3 ～1.88 μm.

量子效率；多结太阳电池；偏置电压；偏置光

当前全球能源危机日趋严重，石油、煤炭等传统能源面临枯竭，因而近年来以太阳能发电技术为代表的新能源产业发展十分迅猛，新技术、新产品不断出现.以薄膜电池、多结聚光电池、染料敏化太阳电池为代表的新一代陆用光伏电池的转化效率不断取得突破，尤其是Ⅲ-Ⅵ族多结聚太阳电池在364倍标准太阳条件下的转化效率已经达到41.6%[1].与快速发展的光伏电池相比，光伏电池的计量与检测技术却发展缓慢，尤其是对于多结电池的量子效率的测试，目前尚没有统一的标准，且国内没有完善的测试设备.针对这一情况，本文在详细分析了Ⅲ-Ⅵ族多结太阳电池结构的基础上，设计并开发了一套用于多结光伏器件的单光路量子效率测试系统，详细介绍了系统原理，硬件组成，光源的选择，与偏置电压的设置等问题.最后利用搭建的单光路量子效率测试系统对GaInP/GaAs/Ge 3结太阳电池进行了测试.

1 多结电池的结构

多结光伏电池不同于简单的单结电池，是由2个或2个以上的子电池串联连接而成，各子电池之间则以隧道结连接.各子电池按禁带宽度由上而下减小的顺序排列，以便于各子电池分别吸收太阳光谱中不同波长的辐射，进而达到充分利用阳光的目的.如图1 a为GaInP/GaAs/Ge 3结太阳电池的结构示意图，由GaInP，GaAs和Ge 3个子电池通过隧道结串联而成.各子电池的禁带宽度分别为1.86，1.42 和 0.66 eV， 对应的吸收截止波长为0.667，0.871和1.879 μm，如图1 b所示.实际上，多结电池就是由隧道结连接的多个pn结串联而成的结构，而正是由于这种串联结构给其量子效率的测量带来了困难[2-7].按照传统测量单结电池的办法，当测量多结中某个子结时，其他非被测量子电池实际上处于反向偏压限流状态，导致测量电流失真.因此必须采取相应的措施，消除非被测子电池的影响.

2 量子效率测试系统原理与结构

2.1系统原理

QE测量的基本原理如下：利用单色仪把光源发出的复合光分解成不同波长的单色光，单色光通过斩波器斩波转变成脉冲光后照射到待测样品上，样品便产生脉冲光电流.脉冲电流由BNC线缆传输到锁相放大器进行放大处理，同时在相同的条件下测量已知QE值的标准电池的相应的脉冲光电流信号，然后将2个信号进行比较，便可计算出待测样品的QE值.其计算公式为

(1)

式中，Acell，Aref分别为待测电池和标准电池的面积，Icell，Iref分别为待测电池和标准电池的电流，当测得Icell，Iref2组数据以后，结合标准电池的量子效率QEref，就可由上式计算得到待测电池的QE值[2-6,8-9].

在测量多结太阳电池光谱响应的时候，必须消除非被测子电池对测量结果的影响，因此引入了偏置光源与偏置电压.测量某一子结电池，需要将相应的偏置光源打开，并辅以适当的偏置电压，使非被测子电池受偏置光源辐射处于饱和状态，而被测子电池不受偏置光源辐射，只接收脉冲单色光，从而产生脉冲电流，经锁相放大器滤掉其他非被测子电池的连续信号检出脉冲信号.

传统的量子效率测试系统的光路常采用这样的方式，即光源发出的入射光经单色仪后由分光片分光而变为双光路，其中一路照射标准探测器，另一路照射待测样品.这种结构好处在于保证了测量上的时间均匀性，但由于分光片对各波长入射光的反射透射率并不一致，因此需对经分光片分光后各波长单色光的通量比值进行标定，很容易造成误差.这里采用分时测量，利用滑动式样品定台使标准探测器和待测样品先后处于光路中的同一位置，确保了辐射通量相等，降低了测量误差.图2给出了笔者设计的单光路量子效率测试系统结构示意.

图2 单光路量子效率测试系统结构示意

2.2系统硬件

2.2.1 单色仪、斩波器和锁相放大器

单色仪是本系统的核心部件之一，本系统要求能对单色仪实行远端控制，并要求波长连续可调，且分辨率小于1 nm.采用美国Spectral Products公司的DK240型单色仪，内置3块光栅，波长从0.2～2 μm连续可调，波长精度为0.01 nm(1 200 g/mm光栅)，并外配虑光轮，内置标准RS232 和GPIB接口，可实现计算机远程控制.斩波器与锁相放大器配合使用，以实现对被测电池光电流的收集.斩波器采用美国斯坦福系统公司的RS540光斩波器，可提供4～3.7 kHz的斩波频率；锁相放大器采用日本NF公司生产的LI5640型锁相放大器，选择电流输入，电流灵敏度为5 fA，精确度为±1%.

2.2.2 光源与偏置电压

在本测试系统中，使用2种用途的光源，一种是提供单色脉冲光的光源，另一种为偏置光源.前者采用氙灯与卤钨灯的组合光源.氙灯的辐射光谱能覆盖0.2～2.5 μm的波段[10]，但是宽光谱的氙灯谱线中有多个锐利尖峰，导致测量结果稳定性较差.因此辐射波长大于0.8 μm后用光谱分布平滑的卤钨灯为优[11].偏置光源以卤钨灯为主，配以适当的滤波片.目前市场上的长波通和短波通滤波片即可满足使用要求，其选择要参考被测电池各子电池的吸收截至波长而定，灵活组合.偏置光源的应用是为了确保使被测子电池起限流作用，而非被测子电池处于相对过饱和状态.原则上讲单色光源的辐照强度应当与1个标准太阳的光强一致，而偏置光的强度则要求略大于单色光的强度.在实际的应用中还要考虑辐照度的稳定性，在本系统中特意配置了电流、电压波动幅度小于0.1%的稳压电源，保证了测量的需求.

由多结光电池的结构可知，测量过程中，施加偏置光后，被测子电池实际上处于反向偏压状态，偏压大小约等于其他非被测子电池开路电压之和.因此必须对光电池施加正向偏压以平衡非被测电池产生的反向偏压，否则容易导致信号失真.本系统配置了灵敏度达0.01 V的偏置电压发生器,可提供0～3 V连续可调的偏置电压.

2.2.3 标准电池

标准电池的选择非常重要，一般来说标准电池电流对光强的响应要具有良好的线性度，尤其在不能保证入射光强恒定的情况下，这一点尤为重要.另外被测电池与标准电池应该属于同种材料体系，例如对于染料敏化电池的QE测量，最好采用已知QE值的染料敏化电池作为标准电池.本系统配备了2种标准电池，分别为Si电池和Ge电池.其中Si标准电池的有效光谱响应范围为0.3～1.1 μm，Ge标准电池的光谱响应范围为0.8～1.86 μm，2块标准电池的面积均为4 mm×4 mm.2块标准探测器的光谱响应经计量科学院计量校正，且对光强的响应具有良好的线性，图3给出了2块标准电池的量子效率曲线.

图3 Si电池和Ge电池的量子效率曲线

2.3系统的控制与软件

通过GPIB卡实现计算机、锁相放大器与单色仪之间的通讯，并利用Visual Basic语言编写了控制程序.

在控制软件的具体实现上，本系统调用AgilentVISA I/O指令库来实现对GPIB接口板的操作.VISA即虚拟仪器软件体系结构，是标准I/O函数库及相关规范的总称，可实现各种接口类型函数的所有功能[12-13].软件中功能模块使用VISASession指令，VISASession是每次程序操作过程的唯一标识符，它标识了与之通讯的设备名称以及进行I/O操作必需的配置信息.系统主要调用的VISA接口函数为：VisaRM.Open，VisaSession.Close，VisaMessage.ReadString和VisaMessage.WriteString等，实现对GPIB设备的打开、关闭、读取与写入字符串等操作.单色仪与锁相放大器本身配合GPIB协议，也定义了各自的命令格式，如单色仪的“GOTO”命令表示使单色仪的输出波长调整到某一值.这里给出2例通过VISA指令控制GIPB设备的程序格式

Set visaGPIB1 = VisaRM.Open(“GPIB0::1::INSTR”, EXCLUSIVE_LOCK)

VisaMessage1.WriteString (“GOTO 500 ”)

其中第1条表示打开地址为1的GPIB设备，使其与程控机建立联系.第2条表示向地址为1的GPIB设备发送“GOTO 500”这一字符串.图4为编制的控制软件界面.

图4 量子效率测试系统控制软件

3 应用实例

利用本系统对由GaInP/GaAs/Ge 3结光电池进行了量子效率的测量，测试样品由中科院半导体研究所提供.测量过程中，斩波频率设置为22 Hz，由大功率蓝光二极管提供蓝光偏置，由卤钨配合滤光片等提供红光与红外光偏置，偏置电压依次为1.16, 1.55和1.39 V.室温下GaInP/GaAs/Ge 3结电池的量子效率测试结果如图5.量子效率曲线清晰地反映出GaInP子电池、GaAs子电池和Ge子电池的主要光谱响应区间分别为0.3～0.7 μm， 0.6～0.9 μm和0.9～1.88 μm.根据以上量子效率计算得GaInP子电池、GaAs子电池和Ge子电池的短路电流密度分别为12.9,13.7，17 mA/cm2.由此可以判断被测3结电池的短路电流密度大小主要受限于GaInP子电池，这就给进一步优化电池指出了具体的方向.

图5 GaInP/GaAs/Ge 3结叠层电池常温下的量子效率曲线

4 结束语

详细介绍了用于多结太阳电池量子效率测试原理与测试系统的实现，对系统各部分硬件功能及作用进行了说明，并针对多结太阳电池的结构特点讨论了偏置光与偏置电压的选择与使用.最后利用搭建的单光路量子效率测试系统对GaInP/GaAs/Ge 3结太阳电池进行了量子效率的测量.实践表明该系统性能稳定，测量结果精度高，重复性好，已成功用于光伏器件的研发.

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(责任编辑：孟素兰)

Designandrealizationofquantumefficiencymeasurementsystemusedformulti-junctionsolarcells

LIULei，ZHANGSuo-liang，MAYa-kun,WANGYong-qing

(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002，China)

A quantum efficiency measurement system with bias lights and bias voltage was set up in order to fulfil the quantum efficency measurement of multi-junction solar cells.The principle of quantum efficiency measurement of multi-junction solar cells was expatiated, and the structure of the measurement system was illustrated in detail.The control software was also successfully developed by Visual Basic language.Further more, the use of bias lights and bias voltage, and the choice of the standard cells were discussed particularly.Finally, the system was successfully used to take the measurement of GaInP/GaAs/Ge three-junction solar cells, whose spectrum response scale ranged from 0.3 μm to 1.88 μm.

quantum efficiency； multi-junction solar cell； bias voltage； bias light

TN307

A

1000-1565(2012)01-0091-05

2011-07-11

河北大学自然科学研究计划项目(2009-171)；河北省教育厅科学研究计划项目(Z2010120)；河北省自然科学基金资助项目(F2011201045)

刘磊(1979-)，男，河北正定人，河北大学讲师，博士，主要从事光伏器件制备与检测相关方面研究.