单片叠层太阳能电池光谱响应测试系统电路设计

白芳　刘朔琪　刘兴

【摘 要】太阳能电池可以把光能转化成电能。物理学上称其太阳能光伏，又称光伏。多结化合物半导体太阳能电池具有转换效率高，温度特性良好，环境污染较低和成本较低等优势。本文针对三结太阳能电池，研究如何进行测试的操作与理论，设计对电性能指标测试的平台，为测试提供理论支持。主要是解决好测试中的单色器范围过窄、紫外单色光强度不够等关键技术问题。设计测试平台，提出多结太阳能电池关于光谱响应测试需要应用到的电偏置新算法，得到可以操作的单片叠层太阳能电池光谱响应测试系统。

【关键词】多结太阳能电池；光谱响应曲线；电偏置

中图分类号： TM914.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.014

Design of circuit of spectral response test system for single-chip laminated solar cells

BAI Fang LIU Su-qi LIU Xing

（College of Information， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

【Abstract】Solar cells convert light energy into electricity. In physics， it is called solar photovoltaic， also known as photovoltaic. Multi-junction compound semiconductor solar cells have the advantages of high conversion efficiency， good temperature characteristics， low environmental pollution and low cost.This paper focuses on the operation and theory of how to conduct tests for three-junction solar cells， and designs a platform for testing electrical performance indicators to provide theoretical support for testing. It is mainly to solve the key technical problems such as the narrow range of the monochromator in the test and the insufficient intensity of the ultraviolet monochromatic light. Designing a test platform and proposing a new algorithm for electrical biasing of multi-junction solar cells for spectral response testing， a single-chip stacked solar cell spectral response test system is available.

【Key words】Multijunction solar cell； Spectral response curve； Electrobias

0 引言

太陽能是一种能量巨大的可再生能源。太阳每秒钟传送到地球的能量相当于亿桶石油的能量，等于全球一天所消耗的能源。太阳能作为21世纪新能源技术，具有极其远大的前景与潜力。

太阳能光伏发电指利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能发电系统的核心光电转化[1]的最小单位为太阳能电池单元。单元进行串并联并封装得到太阳能电池组件，功率范围一般为几瓦到几百瓦。太阳能电池组件作为电源使用的最小单元，太阳能电池方阵就是由这种太阳能电池组件串并联构成，功率输出足够负担负载需要。

现存已知太阳能电池中，硅太阳能电池作为太阳能电池的主要品种，拥有高可靠性、 寿命长、环境适应性强等众多优点。硅是地壳中含量除氧之外最多的元素，其次硅太阳能电池的制备主要依靠半导体工业技术，技术发展和资源利用更普遍。太阳能电池按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、有机电池、化合物电池和染料敏化电池等。按形态结构分主要有叠层电池、薄膜电池等。为了提高效率与降低成本，需要改进技术的同时综合考虑原材料的价格，环境保护以及转换效率等因素，所以硅电池成为太阳能电池最重要的组成成员。

多结太阳电池是一种高效率的太阳能电池，每个电池有多个采用分子束外延技术或有机金属化学气相沉积法生成的薄膜。这些薄膜所构成的半导体有不同的特征能隙，而这些能隙可以吸收光谱中特定频率的电磁波能量，因此生成的半导体能吸收太阳光中的大部分频率的光，生成更多的能量。

任何单一材料的半导体材料的光电响应光谱范围与太阳光谱相比都太窄，只能转换太阳光谱中一定范围的光能，降低了效率。因此，为提高利用效率，将具有不同禁带宽度的半导体材料互相组合起来，吸收转换不同波长范围的入射光，顶层电池的能带最高，往下依次减少，能高的光子被上面能带高的电池吸收，能低的光子下面能带低的电池吸收，从而有效地提高了太阳能电池的转换效率，产生了双结、三结等多结叠层太阳能电池。

下图1出自美国能源部可再生实验室的一份研究报告对各类型太阳能电池的分析

国内开始多结太阳能电池测试的研究工作较晚，因此国内系统只停留在可以测试传统单结太阳能电池光谱响应的阶段。目前，在国际相关学术资料上，多结太阳能电池的光谱响应测量理论、具体技术应用研究较少。同时，由于国外在此方面的技术的封锁与设备不外卖的原因，增大了我国的研究难度。从上世纪90年代开始，国外部分先进的光伏测量实验室，开始了对多结太阳能电池测试的研究，经过深入研究多结太阳能电池的测试理论，开发出多结太阳能电池测量的技术及其应用设备。

图1 晶体硅、非晶硅薄膜、单片叠层以及有机化学、染料敏化电池转化率提高历史图[50]

Fig1 Crystalline silicon， amorphous silicon thin film， monolithic multi-junction， and organic cells conversion rate improving history[50]

我国国土面积广阔，东西跨度大，光线充足的地区数量多，太阳能光伏发电在我国拥有很好的发展前景。通过加大在太阳能光伏发电的研究力度，减少能量转换过程中的能量流失，进而提高效率，降低成本，缓解能源短缺问题，减少不可再生资源使用，保护环境。

多结太阳能电池采用半导体外延生长技术将不同的化合物半导体层合成在一起，利用隧道二极管将各个分立的太阳能电池串联在一起，相互串联的结之间没有引线，因此多结太阳能电池整体只有一对光电转换输出的正、负极。这些特性决定其光谱响应测试[2]只能通过对多结太阳能电池整体进行测试。在整体测试过程中各个P/N结之间的光特性和电特性互相影响，因此现有的单结太阳能电池光谱响应测量系统无法测试多结太阳能电池光谱响应。

本文主要是研究多结太阳能电池的测试方法，并设计电性能指标的测试平台，以此为测试提供理论依据和实验数据。通过解决测试过程中遇到的单色光光谱范围过窄、各个P/N结之间的光特性和电特性互相影响等技术问题，来解决光偏置、电偏置理论与应用、微弱信号检测等关键问题。通过采用光偏置、电偏置等关键技术测试多结太阳能电池光谱响应，再将AM0状态下的太阳能光谱曲线与光谱响应曲线相乘后积分，得到结点的短路电流，从而能够较准确的估计出多结太阳能电池的效率。本研究将多结太阳能电池光谱响应测试系统电路硬件开发研究作为重点，侧重系统的整体搭建和电路硬件设计。

1 叠层太阳能电池原理介绍

1.1 太阳光谱简介

太阳光有着范围极其广的连续谱和大量的吸收线和发射线，拥有许多太阳信息。太阳电磁辐射中，99.9%的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。而可见光区的能量占太阳辐射的50%，红外区占43%。紫外区只占能量的7%。太阳辐射的能力最高的范围大概在其波长0.48微米左右。因为考虑到GaInP，Ga（In）As，Ge的光谱响应范围（GaInP350-650nm，Ga（In）As650-900nm，Ge900-1900nm），所以在本系统中选用的激励光源光谱范围大概为350-1900nm之间。AM0下太阳辐射光谱图如下图所示：

一个太阳常数（简称1AM0）定义为在距离太阳一个天文单位，且无大气吸收的前提条件下，与阳光垂直的单位面积上的太阳辐射能量。国际规定1AM0=1353W/m2。[3]假设光子数为N（λ）厘米-2秒-1的规定是指每秒投射到单位面积P/N结上的光子能量为hω的光子数，则单色光辐射能流就是Pin

因为太阳光谱波长宽，包含各种波长，所以实际入射光能是太阳光所包含的各种波长的光能之和。根据以上概念可以总结为

在无大气吸收的情况下，Pin=1AM0，大约由300纳米到1500纳米的波长范围是太阳光谱的主要部分，然而若无大气吸收则光谱峰值在500纳米左右。

1.2 光生伏特效应[4]

根据法国科学家皮库雷尔的”光生伏特效应”，制作综合不同電子特性的半导体材料的太阳能电池，由于内电场的作用，产生了电动势，电压出现在其正背面之间，连接的外电路就产生了电流。

1.3 光谱响应概念

因各种波长不同的单色光的光子能量不同，其照射时会产生不同的短路电流。短路电流密度与辐照度之比，又可定义为单位辐照度所产生的短路电流密度与波长的函数关系，由此测量绝对光谱响应结果为

2 多结太阳能电池光谱响应系统设计

2.1 机械系统设计

将众多仪器部件组装在一个工作台上，，将被测电池和参考标准电池放入恒温样品室避免温度影响；同时设计一个半透明半反光的滤光片来分光。

2.2 光学系统设计

单色光系统，为了解决光谱响应范围覆盖问题，将传统的单光栅单色仪换成三光栅单色仪。为满足350nm～1900nm的光谱范围应用，采用卤钨灯。若卤钨灯不能达到预期要求，则在部分波段换为氙灯（HID），因为氙灯在300～400nm范围内具有很强的光谱，但是光谱强度的重复性低于卤钨灯。其次需要找到一个合理的切换点，该点之前采用氙灯，之后换用卤钨灯。从而尽量减小光源不稳定造成的误差。采用偏置光源的原因，是因为被测电池进行光谱响应测试时，需在单色光和偏置光照射下。对于多结电池的测量的要为每一结子电池的测量需要单独进行。误差可能出现在当测量某一结电池时，测量结果可能被其他电池的导通状态会影响。通过偏置光需要使其他电池产生的光电流达到相对饱和状态。光谱响应测试产生较大的光伏电流的目的是为了限制电流，具体操作是对被测结电池照射较弱的偏置光。设计多束偏置光，分别经过各自的滤光片、可调节的光阑、可以进行复杂操作的光纤和复眼透镜，其出射波谱分别介于300～650纳米范围之间、650～900纳米范围之间、900～1900纳米范围之间。

2.3 信号采集系统设计

信号采集系统主要包栝以下几部分，低压电源设计、信号操作电路、信号检测装置、电偏置、温度采集装置、A/D获取装置等。其中：电源部分，采用PC电源，以此减少工频干扰信号；信号调理通过自己制作电路板来实现I/V信号变换及其信号滤波、放大等功能。微弱信号检测，利用相敏感检波电路[5]。电偏置措施是由计算机通过D/A输送一个电压到多结太阳能电池一端，来抵消其他子结电池的内部反向偏置电压。温度采集模块采取闭环设计，实时的采集温度，以此来调节制冷装置。

3 总结

研究多结太阳能电池光谱响应测试的电路硬件，设计多结太阳能电池光谱响应测试系统电路，检测微弱信号。性能主要考虑成为电源的电性能， 在搭建整个系统的方案论证中，涉及到的关键问题包括：单色激励光源、光偏置、电偏置的研究与装置、微弱信号检测。主要是解决好测试过程中单色光的光谱范围过窄、紫外单色光强度不够、信噪比太低和各个P/N结之间的光特性与电特性互相干涉引起误差等关键技术问题。针对多结太阳能电池，进行光谱响应测试研究，提供新的检测方法。设计对多结太阳能电池短路电流的检测电路，为得到多结太阳能电池光谱响应曲线奠定了方案基础。提供了关于单片叠层多结光伏电池光谱响应测试系统的意见。

【参考文献】

[1]Green Martin A， Emery Keith， King David L， et al. Solar Cell Efficiency Tables（ Version29）[J]. Progress in Photovoltaics： Research And Applications， 2006， （12）： 736-741

[2]機械电子工业部第十八研究所，中国科学院长春应用化学研究所.GB110.09-1989，太阳电池光谱响应测试方法.中国：中华人民共和国机械电子工业部.1990

[3]Lisa Zyga. 40% efficient solar cells to be used for solar electricity [EB/OL].http：//www.physorg.com/news99904887.html， 2007-06-01.

[4]崔容强，陈凤翔.能源大革命[EB/OL].http：//kxtj.e21.cn/e21web/content.php？acticle_id=1723， 2006-01-07.

[5]Mayer D， Nolay P. Analyze and design methods of Photovoltaic systems. In： Proceedings of the Fifth international E.C.photovoltaic solar energy conference. Italy： Klawer Academis； 1988. p.406-10.