光谱响应测试在多结型太阳能电池中的应用

王婷婷，李松丽，许 蕾，张 俊

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

0 引 言

硅晶材料价格昂贵，而硅薄膜材料用料少（硅晶片＜200μm，硅薄膜＜5μm，材料用料不到硅晶片的5%）。因此，自2006年起硅薄膜太阳能电池[1-2]吸引了许多研究人员与厂家的关注。在转换效率上，商用非晶硅薄膜模组的极限约为7%，而多结型硅薄膜太阳能电池模组[3-4]能够超过10%，使得多结型硅薄膜太阳能电池已成为市场主流。图1为双层堆叠型太阳能电池的元件结构。在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜，接着制作高掺杂浓度的界面层后制作微晶硅薄膜与电极。

图1 多结型硅薄膜太阳能电池结构图

高效率多结型硅薄膜元件结构设计中最重要的关键点是需要各层电池的短路电流密度接近，称为电流匹配。但是检测各层电池的短路电流密度是十分困难的，无法使用一般的电流-电压曲线仪测得各层电池的电流。光谱响应/量子效率光谱检测技术是目前唯一能独立量测出各层电池短路电流密度的技术。

本文将先介绍量子效率的测量原理，然后再探讨光谱响应/量子效率在多结型硅薄膜太阳能电池中工艺改善上的具体应用。

1 光谱响应与量子效率的测量原理

光谱响应（spectral responsivity，SR）[5-8]是评价光电探测器件（如光侦测器、光度计、太阳能电池等）光电转换能力的指标，也就是入射光子与电子转换的效率（incident photon-electron conversion efficiency，IPCE）。例如，太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标。

光谱响应SR（λ）可以表述为

式中：P（λ）——各波长入射光的能量，W；

I（λ）——太阳能电池接收到入射光后转换成的电流，A。

其物理意义为：太阳能电池接受1W的光能可产生多少安培电流的能力，如图2所示。可以发现，光谱响应、入射光的能量和转换的电能均为波长的函数。

光谱响应 亦可称为量子效率（quantum efficiency，QE）[9-11]或IPCE。将波长为λ的入射光能量转换成光子数目，而电池产生、传递到外部电路的电流换算成电子数，则光谱响应可表示成每一个入射的光子能够转换成传输到外部电路的电子的能力，称为量子效率，单位以百分比来表示，如图3所示。这也可称为入射光子-电子转换效率IPCE。

光谱响应SR（λ）与量子效率QE（λ）的换算可写成下式：

式中：q——电子电量；

ħ——普朗克常数；

ν——光子频率；

λ——入射光波长，nm。

改写式（2）即可得量子效率 QE（λ）

量子效率反映了太阳能电池对不同波长的光电转换效率，而太阳能电池转换效率的好坏，受到了电池本身材料、工艺、结构等因素影响，使其在不同波长具有不同的转换效率。利用量子效率技术来检测、分析电池在不同条件下转换效率的变化，可以分析出工艺的优劣，并找出提高电池效率的关键因素。

2 光谱响应测试在堆叠型硅薄膜太阳能电池工艺改善上的应用

图2 太阳能电池光谱响应/量子效率/IPCE原理示意图

图3 光谱响应与量子效率的转换

使用光谱响应/量子效率光谱技术可测出太阳能电池各层的短路电流密度。当两个子电池串联时，总输出电流是由较小电流的电池来决定，从而可知目前电池的电流由哪个子电池来控制，及要提高整体效率要针对哪一个子电池的制程进行改善。

图4 非晶硅-微晶硅多结型硅薄膜太阳能电池上层电池与下层电池的光谱响应/量子效率光谱

图4是利用光谱响应/量子效率光谱技术量测非晶硅-微晶硅多结型硅薄膜太阳能电池各层的光谱响应/量子效率光谱，此光谱对AM1.5G标准太阳光谱做计算可以得到各层的短路电流密度。上层电池（非晶硅层）与下层电池（微晶硅层）的短路电流密度分别为11.94mA/cm2及9.98mA/cm2，因此整体电池的输出电流密度是由下层的微晶硅电池来决定。若是利用太阳光模拟器与电流-电压曲线仪，仅能得到一个输出电流密度，无法知道各层电池的好坏，更无法订定明确的制程改善方向与目标。

以图4的结果为例，利用光谱响应/量子效率光谱技术测出该电池的下层微晶硅电池限制了整体电池的输出电流，因此可以将制程改善的方向放在下层微晶硅电池的制程，来提高微晶硅电池的转换效率，使得上、下层电流密度匹配，即可提高整体效率，无需再设计更多的实验条件来验证是何层电池限制了整体电池效率，可大幅提升制程开发，效率改进的时程与成本。

图5 标准双层堆叠型电池结构及增加中间层ZnO作为光线捕捉的结构

任何在多结型太阳能电池制程上参数的改变，均可由光谱响应/量子效率光谱测试得知而改善。以非晶硅-微晶硅多结型太阳能电池为例，假设上层电池的电流密度小于下层电池的电流密度，输出电流密度由上层电池来决定。若要调整上下层电池彼此的电流密度，以达到接近1∶1最佳的电流密度匹配条件，可由电池的结构来着手。例如，为增加上层电池的电流密度，可以在上下层电池间增加一层中间反射层如ZnO，将原本会穿透上层非晶硅电池的光部分反射回上层电池中，形成光线捕捉功能，提升上层电池的电流密度。图5即为在标准双层非晶硅-微晶硅多结型太阳能电池中有无增加中间层ZnO作为光线捕捉的结构的异同。

图6为这两种结构的光谱响应/量子效率光谱测试的结果。由图6可以观察到增加了ZnO层后，上层非晶硅电池在500～700nm波段效率显著提升，如所预期的ZnO达到了光线捕捉的功能，也使上层非晶硅电池的短路电流密度增加。由于500～700nm波段的光被捕捉在上层电池，使得进到下层电池的500～700 nm波段的光线减少，因此下层微晶硅电池在此波段的电流密度降低，以致短路电流密度下降。因此，可以调整ZnO层的条件，并利用光谱响应/量子效率光谱来作为结果的检测，将上下层电池在短路电流密度上调整的更佳匹配，以提升整体电池的输出效率。

图6 增加ZnO中间层制程前后的光谱响应/量子效率光谱

3 结束语

本文主要针对在高效率多结型硅薄膜元件结构设计中各层短路电流无法被测出这一困难，探讨了光谱响应/量子效率光谱测试技术在这方面的应用。该项技术使电池各层在短路电流密度上达到最佳匹配从而改进制程，提高电池的效率，并可作为计量测试中电池片的标定。

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