替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的研制

中国电子科技集团公司第十八研究所 ■ 王金玉伊纪禄 袁明翰 徐正元

替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的研制

中国电子科技集团公司第十八研究所 ■ 王金玉*伊纪禄 袁明翰 徐正元

通过在单晶硅标准太阳电池上安装合适的滤光片作为替代型非晶硅薄膜标准太阳电池，减小非晶硅薄膜标准太阳电池与非晶硅薄膜太阳电池的光谱响应失配引起的测量误差。实验证明，替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的相对光谱响应曲线与非晶硅薄膜太阳电池基本一致。

替代型非晶硅；薄膜；标准太阳电池；光谱响应；光谱失配

0　引言

采用等离子体增强型化学气相沉积法，以玻璃、不锈钢、聚酯类膜等廉价材料为基底制备而成的非晶硅薄膜太阳电池，因其具有环境友好和原料丰富、光吸收系数高、能源回收期短、弱光效应良好、热稳定性较好、颜色及造型美观等优点获得了发展的契机。

如何准确测量非晶硅薄膜太阳电池的电性能参数，直接关系到生产厂家和客户的经济利益，同样对于电池的分类筛选和工艺改进也起着至关重要的作用。但由于非晶硅材料本身存在S-W效应，不能直接作为标准太阳电池使用，给非晶硅薄膜太阳电池性能测试评估带来了困难。本文通过在单晶硅标准太阳电池上安装合适的滤光片作为替代型非晶硅薄膜标准太阳电池，减小非晶硅薄膜标准太阳电池与非晶硅薄膜太阳电池的光谱响应失配误差，提高测量结果的准确度。

1　晶体硅光谱响应

目前国内某些实验室和生产厂家直接利用非晶硅太阳电池或晶体硅标准太阳电池作为标准进行测试，引入了很大的测试误差。图1为单晶硅、非晶硅太阳电池的光谱响应曲线，由图1可看出二者之间的相对光谱响应失配较大。

图1　单晶硅、非晶硅太阳电池的光谱响应曲线

图2为符合IEC 60904-9-2007规定的AAA级［1］太阳模拟器的光谱曲线图。根据IEC 60904-7-2007规定，光伏器件测量过程中若存在测试光谱和标准光谱之间的失配、标准电池和测试样品之间的光谱响应失配，这两种失配共同影响测试结果，为降低二者引起的测试偏差，需进行光谱失配的计算，可由式(1)计算出［2］：

式中，Eref(λ)为IEC 60904-3-2016规定的标准光谱在波长λ处单位带宽的辐照度；Emeas(λ)为测试光谱在波长λ处单位带宽的辐照度；Sref(λ)、Ssample(λ)分别为标准太阳电池、被测太阳电池在波长λ处的光谱响应。

图2　太阳模拟器光谱分布图

图1所示的单晶硅、非晶硅太阳电池在太阳模拟器光谱和标准光谱之间的光谱失配系数MM=0.95。若直接使用该单晶硅太阳电池作为标准电池，设定太阳模拟器的辐照度，然后在该太阳模拟器下对图1所示的非晶硅太阳电池进行测试，根据IEC 60904-7-2007的相关规定，将引入约5.3%(1/MM)的测试误差。

由模拟器光谱与AM 1.5标准光谱之间的光谱失配，以及非晶硅与单晶硅太阳电池之间的光谱响应失配引起的测试误差，虽可通过光谱失配修正来减小，但光谱失配修正结果的准确性还需用其他标定方法进一步验证，且这种修正方法相对繁琐，不如直接用非晶硅薄膜标准太阳电池设定太阳模拟器的辐照度然后进行测试更简单易行。

由于非晶硅太阳电池本身的固有缺点，直接选用非晶硅太阳电池做标准电池，远不如在单晶硅标准太阳电池上安装合适的滤光片模拟非晶硅太阳电池更为实际、有效，这样可消除由于非晶硅薄膜标准太阳电池不稳定及晶体硅、非晶硅太阳电池光谱响应不匹配而引入的测试误差问题。同时，我们在标准电池内部加入测温元件，可消除测试过程中由于温度差而产生的测试误差问题。

2　替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的制作

替代型非晶硅薄膜标准太阳电池主要由电池壳体、滤光片、晶体硅片层压件、接插件、测温元件等组成。具体结构见图3。

图3　替代型非晶硅薄膜标准电池的结构图

实际应用测试中发现，单晶硅太阳电池光谱响应范围为300～1100 nm，峰值位于800～900 nm；非晶硅薄膜太阳电池的光谱响应范围为400～800 nm，峰值位于500～600 nm。单晶硅的光谱响应范围大于非晶硅的光谱响应，且单晶硅太阳电池的量子效率大于非晶硅薄膜太阳电池的量子效率。从理论上可得出，通过在单晶硅标准太阳电池上安装合适的滤光片作为替代型非晶硅薄膜标准太阳电池，来模拟非晶硅薄膜标准电池的光谱响应。由于非晶硅薄膜太阳电池光谱响应峰值位于500～600 nm波段，滤光片需滤掉800～900 nm波段光谱，吸收500～600 nm波段光谱，经过试验筛选，厚度为1 mm的青蓝色玻璃较为合适。

根据IEC 60904-2-2015中对标准光伏器件的要求可知［3］：

1)将筛选好的单晶硅太阳电池(2 cm×2 cm)与EVA胶膜、黑色TPT背板、滤光片在层压机内层压制备层压件；层压完成后，对层压件进行筛选，剔除外观不合格与电性能较差的层压件。

2)在已筛选好的层压件的正、负极上分别焊接引出线，采用四线制焊接，并将热电偶粘贴在层压件的背表面；待胶固化后将层压件放入已加工好的电池壳体中，固定好后利用灌封胶封装。

3)待胶体固化好后，将电极引出线、热电偶、接插件等进行焊接，替代型非晶硅薄膜标准电池制作完成。

3　测试结果及使用效果

3.1替代型非晶硅薄膜标准太阳电池相对光谱响应的测量［4］

用各种不同波长的单色光分别照射太阳电池时，由于光子能量不同和太阳电池对光的反射、吸收，以及光生载流子的收集效率等因素的影响，在辐照度相同的条件下也会产生不同的短路电流。用所测短路电流密度与辐照度的比值，即单位辐照度下产生的短路电流密度与波长的函数来定义绝对光谱响应，用绝对光谱响应的最大值归一化光谱响应来定义相对光谱响应。光谱响应反映了太阳电池对波长不同的单色光的响应程度，是评价太阳电池光电转换能力的指标，对分析太阳电池的工艺问题及研究太阳电池的性能有重要意义。

待光谱响应测试仪系统稳定并校准后，将替代型非晶硅薄膜标准太阳电池安装在测试平台上，调整单色光光斑，使标准太阳电池放在单色光照射的范围内，然后开始测量替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的光谱响应，其相对光谱响应曲线图如图4所示。

由图4可知，光谱响应峰位于500～600 nm波段，在400 nm波长处的相对光谱响应大于35%，在800 nm处的相对光谱响应小于10%，与图1中的非晶硅太阳电池的光谱响应曲线相似。

图4　替代型非晶硅薄膜标准太阳电池相对光谱响应曲线

在图2所示的符合IEC 60904-9-2007规定的AAA级太阳模拟器下，替代型非晶硅薄膜标准太阳电池与图1所示的非晶硅太阳电池的光谱失配系数MM=1.01。根据IEC 60904-2-2015的规定，当按照IEC 60904-7-2007确定的标准太阳电池和被测太阳电池在测试所用光照下的光谱失配修正小于1%，失配修正可省略。

3.2替代型非晶硅薄膜标准太阳电池电性能的使用效果

在满足IEC 60904-2-2015规定的天气条件的自然光下和图2所示符合IEC 60904-9-2007规定的AAA级太阳模拟器下，对照替代型非晶硅薄膜标准太阳电池，分别测试一件尺寸为30 cm×30 cm的非晶硅光伏组件，得到该组件的短路电流Isc1= 240.8 mA、Isc2=239.0 mA，二者相差1.8 mA。所以由自然光光谱与太阳模拟器光谱之间的光谱失配和非晶硅太阳电池与单晶硅电池之间的光谱响应共同引起的光谱失配修正MM很小。

由式(1)可知，当测试用光源的光谱分布与IEC 60904-3-2016规定的标准光谱分布相同或被测太阳电池的相对光谱响应与标准太阳电池的相对光谱响应相同时，可省略光谱失配修正。由此可见，尺寸为30 cm×30 cm的非晶硅光伏组件的相对光谱响应与替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的相对光谱响应基本相同，Isc1与Isc2差别才很小。

4　结论

在太阳模拟器下测试太阳电池的电性能时，应尽量选择和被测电池的相对光谱响应曲线基本一致的标准太阳电池，根据IEC 60904-7-2007第3章的要求，不需要进行光谱失配修正。根据上述方法研制的替代型非晶硅薄膜标准太阳电池，相对光谱响应曲线与非晶硅薄膜太阳电池基本一致，光谱失配系数MM=1.01，可省略光谱失配修正。

替代型非晶硅薄膜标准太阳电池的实现方式简单、性能稳定、结构简单、携带方便、易于操作、成本低廉，既可作为非晶硅薄膜太阳电池测试的标准，也可作为监测器件长期在室外连续工作。

［1］ IEC 60904-9-2007, Photovoltaic devices-Part 9∶ Solar simulator performance requirements［S］.

［2］ IEC 60904-7-2007, Photovoltaic devices-Part 7∶ Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices［S］.

［3］ IEC 60904-2-2015, Photovoltaic devices-Part 2∶ Requirements for photovoltaic reference devices［S］.

［4］ 张献逢. 多结太阳能电池光谱响应测试系统中光学系统研究［D］. 天津∶ 河北工业大学, 2007.

2016-05-03

王金玉(1980—)，女，硕士，主要从事太阳电池测试方面的研究。yugi0501@163.com