基于LED太阳模拟器太阳电池光谱响应测试研究

陕西众森电能科技有限公司 ■ 冯云峰 赵孟钢刘皎 王水威



基于LED太阳模拟器太阳电池光谱响应测试研究

陕西众森电能科技有限公司 ■ 冯云峰 赵孟钢*刘皎 王水威

摘 要：从原理介绍光谱响应、量子效率和光电转换效率3者间的关系。通过光谱响应测试系统对比两种不同工艺的太阳电池的光谱响应曲线，分析太阳电池结构和工艺与光谱响应的关系，进一步说明光谱响应对提高晶硅电池转换效率的作用。

关键词：光谱响应；量子效率；光电转换效率；晶硅电池

0 引言

太阳电池光谱响应[1-3]是评价太阳电池一个重要的参数，光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳电池的光谱响应可分为绝对光谱响应和相对光谱响应，绝对光谱响应为单位辐照度所产生的短路电流和入射光波长的函数关系；相对光谱响应则为归一化的绝对光谱响应。

太阳电池光谱响应参数对指导太阳电池生产工艺及研究太阳电池结构和性能有重要的参考价值。本文从分析太阳电池光谱响应原理出发，利用公式推导说明光谱响应、量子效率和光电转换效率之间的关系；提供一种用于测试太阳电池的电性能和光谱响应测试系统——LED太阳模拟器。该系统各项指标均达到国际水平，远高于国际标准。通过该系统对比两种不同工艺的晶硅太阳电池的光谱响应曲线，并分析光谱响应与太阳电池结构和工艺的关系，定性地指导两种电池在工艺上需进一步改善。

1 理论分析

光谱响应(SR)是评价光电探测器件光电转换能力的指标，也称为入射光子与电子转换的效率(IPCE)。太阳电池就是一种直接将光能转换成电能的光电器件，所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标。

各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流的变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应。太阳电池的绝对光谱响应是一个可直接测量的量，物理意义为单位辐照下的短路电流密度[3]，其单位为A/W。用SR1(λ)表示太阳电池绝对光谱响应，则：

式中，Jsc(λ)为某特定波长单色光照射下短路电流密度；PI(λ)为单位面积上某特定波长入射光的能量。

如果每一波长以一定量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路电流与其最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，称为该太阳电池的相对光谱响应。

测试太阳电池相对光谱响应时，常用光谱响应已知的太阳电池做参比电池，测试时测得待测太阳电池的短路电流与参比电池的短路电流相比来计算待测太阳电池的光谱响应。用SR2(λ)表示待测太阳电池的光谱响应，则：

式中，SR′2(λ)为参比电池的光谱响应；Jsc(λ)为待测太阳电池的短路电流密度；Jsc′(λ)为参比太阳电池的短路电流密度。

光谱响应SR(λ)亦可称为量子效率QE(λ)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，单位用百分比表示。

根据表面反射率的影响，量子效率分为外量子效率EQE和内量子效率IQE。

为了对太阳电池材料参数、工艺参数及结构参数等进行较好的分析和理解，经常采用外量子效率EQE表示，单位入射光通量所产生并形成光电流的电子空穴对数。

式中，φ为EQE；n为电子数目；e为电子电量；s为面积，cm2；N为入射光子数。

若P表示入射光功率，则：

式中，h为普朗克常量；v为入射光频率；λ为波长，nm。

若对式(3)和式(4)进行变换可求得外量子效率EQE：

EQE(λ)=φ%=100 × Jsc(λ) × hv(λ) λPI(λ) e

简化后，则：

而对于常规的硅太阳电池，如果忽略在光谱范围内太阳电池的透射部分，则可将绝对光谱响应用内量子效率(IQE)表示。某一波长的光激发并形成光电流的电子空穴对数与入射到材料中该波长的光子数之比，称为内量子效率[4]，则：

式中，R为太阳电池的反射率；c为光速。

内量子效率表示入射的光子未被反射且短路电流有贡献的部分，其值表示为：

式中，αe–h为太阳电池的本征带间吸收系数；αt为总的吸收系数；α为入射到太阳电池内部被吸收的部分；ηc为光照后产生的载流子被p-n结所收集的概率。

从式(8)分析得出：内量子效率对分析太阳电池的带间吸收、载流子的收集概率等参数有重要作用。测量出太阳电池的光谱响应，就可求出太阳电池的外量子效率EQE。求出EQE，再测量出太阳电池的发射，即可得出太阳电池的内量子效率IQE。

2 测试系统

本文测试光谱响应所需的系统采用LED太阳模拟器，该设备采用LED作为光源且单色可控，即可快速测得光谱响应；光谱可调节、可模拟不同地区的辐照分布；脉冲宽度可调整，调整范围为10～200 ms；另可测新型高效电池、薄膜电池及各种电池片。这款模拟器内部定位为A+A+A+标准，各项指标均优于国际标准(IEC 60904-9)4倍。

该设备测试用光谱响应已知的太阳电池作为参比电池，测量待测太阳电池的短路电流密度与参比电池相比，用式(2)即得到待测太阳电池的光谱响应。测试过程是通过上位机点击测试，主板收到指令给灯板触发信号，使得不同波段的LED依次被触发闪光，待测太阳电池短路电流密度Jsc(λ)依次采集，然后将数据在软件上显示出光谱响应曲线，如图1所示。

3 测试结果与分析

3.1 测试实验结果

通过上位机软件操作，LED光源依次闪光获得每种LED单色光照射下参比电池和待测电池的短路电流Isc。再根据光谱仪得到每种LED单色光下的辐照度，可由式(1)和(2)计算出每种LED参比电池的光谱响应和待测电池A、B的光谱响应，并绘制出相应曲线，经过归一化处理，结果如图2所示，数据见表1。

表1　参比电池和待测电池A和B的短路电流、辐照度和光谱响应数据

图3为两种待测电池与参比电池经由式(6)计算将图2光谱响应曲线转换成量子效率曲线。由量子效率结果可看出B电池的效率较高，主要是因为在400～800 nm波段的转换效率高于A电池，所贡献的短路电流密度较A电池高0.962 mA/cm2；整体上，B电池总的短路电流密度较A电池高0.012 mA/cm2。

3.2 测试分析

光谱响应曲线反映了太阳电池各层的特性，本文A、B都为晶硅太阳电池，又因p-n结是光电转换的核心区域[5]，p-n结的内建电场可有效分离吸收光子产生的电子空穴对，所以一般转换效率最高的波段即在p-n结的波长范围。因此转换效率最高的500～800 nm波长范围，反映的是电池需要在背场工艺、背面钝化等方向做出改进。

图1　LED模拟器测试示意图

图2　待测电池A和B与参比电池的光谱响应曲线

4 结论

本文首先从原理上阐述了光谱响应、量子效率和光电转换效率3者间的关系。通过光谱响应测试系统(LED太阳模拟器)进行实验，比较两种不同工艺的太阳电池A和B的光谱响应结果，并分析光谱响应曲线与电池的结构和工艺相关，有针对性地评价了两种太阳电池需在工艺和结构上进一步改进，对提高整个太阳电池的转换效率有很大的帮助。

参考文献

[1] Helmut Mäckel, Andrés Cuevas1. Generalized models of the spectral response of the voltage for the extraction of recombination parameters in silicon devices[J]. Journal of Applied Physics, 2005, (8): 083708-1－083708-9.

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[3] Meusel M, Baur C, Létay G, et al. Spectral response measurements of monolithic GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cells: Measurement artifacts and their explanation[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 2003, 11(8): 499－514.

[4] 罗玉峰, 杨祚宝, 廖卫兵, 等. 硅太阳电池光谱响应测试技术研究[J]. 南昌大学学报, 2012, 34(1): 66－69.

[5] 王婷婷, 戴妙妙, 卞志华, 等. 光谱响应测试在太阳能电池中的应用[J]. 技术创新, 2014, 73－75. p-n结层的特性。

从图2可看出在400～500 nm波长范围，光谱响应曲线随着波长的增加而提升，因为长波长光子的穿透能力更强，更接近p-n结面，因此转换效率提升。800～1100 nm波长穿透到最下层的p层，光谱响应曲线随波长增加而快速递减的原因有两种：1)在800～1000 nm波长区域，波长越长，产生的电子空穴对就越远离p-n结，需由扩散达到p-n结，距离p-n结越远，在扩散到p-n结面前就被复合的概率就越高，所以800 ～1000 nm波段的光谱响应随着波长递减；2)波长大于1000 nm后，入射光能量逐渐小于硅的能隙，入射光无法激发电子空穴对，所以曲线快速下降。

由图3可看出，A电池在400～500 nm效率比B电池低，因此想要进一步提升A电池的效率，应将抗反射层(400～500 nm)与n层(400～500 nm)扩散的工艺作为改进的方向。同时，B

通信作者：赵孟钢(1986—)，男，硕士、光学工程师，主要从事太阳模拟器研究方向。zmg@gsola.cn

收稿日期：2015-07-28