单色光波长对硅晶太阳能电池特性的影响

田婷，欧修龙，顾倪菲，徐耕晨

（汉江师范学院 新型功能材料制备与物性研究中心，湖北 十堰 442000）

近年来，化石能源等传统能源遭到了大肆开采挖掘，能源短缺和环境问题变得日益严重[1].为了响应国家可持续发展政策的号召，人们将目光投向太阳能、风能、生物能等其他可再生能源.其中太阳能有着分布范围广、采集使用方便且污染性小的特点，能够解决传统能源短缺的压力[2-5].国家非常重视对其进行开发和利用，因此太阳能开发与使用技术成为研究的热门课题.

硅晶太阳能电池转化效率约为22%，其优点是寿命长、透光性好且成本低；薄膜太阳能电池转化效率也能达到20%以上，但很多属于稀有金属，导致成本高，另外有些金属有毒，如Cd，As 不适合大量加工生产；染料敏化太阳能电池转化效率低，一般在13%左右；钙钛矿太阳能电池转化效率也在24%左右，但其稳定性差.因此，硅晶太阳能电池有一定的研究价值.20 世纪80 年代以来，国外一些国家斥巨资研究多晶硅太阳能电池，使其发展迅速.2018 年上半年，我国单晶硅电池片产量增加明显，单晶硅片占硅片产量的52.7%；单晶电池片占电池片产量的41%.与2017 年相比，我国单晶硅片和电池片产量分别提高了41.2%和21.2%[6].硅晶太阳能电池在我国太阳能电池行业中有着举足轻重的地位，研究硅晶太阳能电池有重要的现实意义.

太阳光在不同纬度所产生的光照强度不同，通过太阳能电池的波长也不同，继而其转化效率也发生了相应的改变.我国科学家在这一方面做了大量研究，邵国键[7]为了提高太阳能电池转换效率，利用光谱转换效应将波长较短的光子转化为波长较长的光子，这一举措取得了显著效果.田冰涛[8]等利用自制的太阳能电池特性测试装置和不同颜色的滤光片探究不同波长的光对太阳能电池功率的影响，研究结果表明，当波长较长的光照射时，硅晶太阳能电池片的功率相对较高；而在光谱波长较短的范围内，硅晶太阳能电池片功率相对较低.王威[9]等为了提高硅太阳能电池的效率，采用恒定功率的白炽灯为光源，经过不同滤光片后得到不同波长的光，测定了在不同波长入射光照射下硅太阳能电池表征参数的变化，结果表明，随入射光波长的增大，硅太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率和填充因子都逐渐增大.虽然这些研究团队针对波长对太阳能电池转化效率的影响做了大量的研究，但只得出波长越长转化效率越高的结论，没有讨论太阳能电池最高转化效率对应的波长范围.

本文以单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池为研究对象，测量太阳光波长对单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的开路电压、短路电流的影响，研究波长与相对光谱灵敏度的关系，找出太阳光波长对3 种硅晶太阳能电池表征参数的影响.

1 实验部分

1.1 实验设备

本实验采用太阳能光伏实验设备（见图1），主要包括氙灯电源、测试主机、USB 集成器及通信线、电池片测试件以及滤光镜片.由于氙灯光谱分布与太阳光光谱接近，波长散射范围为300～1 100 nm，符合实验所需的单一散射波长，因此，实验中利用氙灯模拟太阳光，凸透镜汇聚光线，增大光强，通过更换不同波长的滤光片获得单色光测量相应参数值.

图1 仪器示意图

1.2 太阳能电池发电原理

目前，太阳能电池是我国太阳能资源综合利用过程中的一个关键环节，其核心材料是半导体.从宏观电学性质上讲，半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体两者之间，其导带和价带之间的禁带宽度通常小于3 eV，温度、光照等多种影响因素都可以使价带中的电子向导带跃迁，在导带和价带中形成电子-空穴对，从而改变材料的电学特征.半导体材料电子元件的核心结构通常是PN 结，简单来说，PN 结就是P 型半导体和N 型半导体接触后所形成的一个基础区域.P 型半导体和N 型半导体内空穴的数量和自由电子的数量大不相同，前者内部有着相当数量的空穴，没有自由电子，而后者内部有大量的自由电子，几乎没有空穴，2 种半导体结合在一起时N 区的电子和P 区的空穴相互扩散形成PN 结，在PN 结附近形成空间电荷区和势垒电场（见图2）.

图2 PN 结内电场分布

当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子-空穴对，在结区激发的电子和空穴被势垒电场推向N 区和P 区，使N 区有过量的电子而带负电，P 区有过量的空穴而带正电，外接负载时会产生电流和电压，这种现象称为光生伏特效应[10-12].

1.3 波长对太阳能电池的影响

太阳能电池对不同波段入射光的敏感程度称为光谱灵敏度.能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子-空穴对，而光子能量的大小与光的波长有关[13-14].

一般来说，太阳能电池的光生电流IL正比于光源的辐射功率φ（λ）.太阳能电池的绝对光谱响应R（λ）定义为

式中：I（λ）为入射光波长为λ时太阳能电池输出的短路电流；φ（λ）为入射光波长为λ时太阳能电池上的辐射功率.

如果光探测器（经过标定）在某一特定波长λ处的光谱响应是R′（λ）、短路电流为I′（λ），那么在辐射功率φ（λ）相同时测量太阳能电池输出电流I（λ），则

由式（2）可知

式中：R′（λ）为标准光强探测器的相对光谱响应；I′（λ）为光强探测器在给定的辐照度下的短路电流；I（λ）为待测太阳电池片在相同辐照度下的短路电流.相对光谱响应等于绝对光谱响应除以绝对光谱响应的最大值.

2 数据处理分析

2.1 硅晶太阳能电池的暗特性

通常把无光照或光照为零的情况下太阳能电池的电流-电压特性叫作暗特性.无光照条件下，太阳能电池电流电压关系满足肖克莱方程[15]

式中：q为电子电荷的绝对值；k0为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IS为反向饱和电流（暗电流）.

式中：JS为反向饱和电流密度；A为结面积；DN，DP分别为电子和空穴的扩散系数；为P 区平衡少数载流子电子的浓度；PN0为N 区平衡少数载流子空穴的浓度；LN，LP分别为电子和空穴的扩散长度.

暗电流是区分二极管的一个极其重要的参量，一般情况下暗电流非常小.实验时，将温度设置在0，10，20，30，40 ℃，测量3 种硅晶太阳能电池的正向电流和反向电流，得到不同温度下暗电流特性曲线（见图3～5）.

由图3～5 的曲线可知，3 种硅晶太阳能电池片在不同温度下的暗特性曲线变化趋势相同.随着温度升高，正向曲线左移，即正向电流随着温度的升高而增大，即温度升高，硅材料PN结在较低电压下就可以导通，这与PN 结随温度的变化趋势相同.

图3 不同温度下单晶硅太阳能电池片的暗电流特征曲线

图4 不同温度下多晶硅太阳能电池片的暗电流特征曲线

图5 不同温度下非晶硅太阳能电池片的暗电流特性曲线

2.2 硅晶太阳能电池相对光谱灵敏度

同一硅晶太阳能电池与不同光源匹配效果不同，不同硅晶太阳能电池与不同光源匹配效果也不甚相同.例如：有的太阳能电池在太阳光照射下利用率较高，但在荧光灯这样的昏暗光源下转换效率就很低，几乎为零.据研究表明，光强和光谱等多种因素不同会导致太阳能电池输出发生变化.一般来说，目前单晶硅电池的响应光谱在400～1 100 nm之间，相应强度从400～950 nm递增，通常光谱响应的最大灵敏度在950 nm，而继续增大波长其响应程度会递减.

将温度控制在40 ℃，氙灯光源设定在1 249.48 W/m2.加载不同滤光片，放入光强检测器，测量透过滤光片后光强探测器产生的电流I′（λ）.取出光强探测器，分别放入3种太阳能电池片，测量加载滤光片后3种硅晶电池片的短路电流I（λ），绘制3种太阳能电池片的相对光谱响应曲线（见图6）.

由图6可知，单晶硅和多晶硅太阳能电池片的光谱灵敏度曲线几乎重合，从可见光到近红外光，尤其在近红外光范围内灵敏度很高，对900 nm左右波长的光最灵敏，即这2种电池片在这个波长附近的转化效率最高.在770 nm附近有点失真，认为其可能原因是电池片的封装材料在此波长附近吸收的较多，导致光谱曲线在这一点有点下凹.

图6 3 种硅晶太阳能电池片的相对光谱灵敏度

非晶硅太阳能电池片的光谱灵敏度曲线与单晶硅和多晶硅有些不同，其光谱范围相对较窄，只在可见光范围内能够产生电子-空穴对，这可能与非晶硅的结构有关（在P型和N型半导体之间有一层本征层，导致禁带宽度增加），且在570 nm左右相对光谱灵敏度值最高，即转化效率最高.

2.3 入射光波长对开路电压和短路电流的影响

开路电压是太阳能电池在两端开路时输出电压值，短路电流是太阳能电池输出端短路时流过两端的电流.开路电压与短路电流同为测量太阳能电池的使用性能及其转化效率的重要参数.实验时打开氙灯，通过更换滤光片获得8 种单色光，波长分别为395，490，570，665，760，865，950，1 035 nm，分别测定3种硅晶太阳能电池片在8 种单色光照射下的开路电压和短路电流，得出开路电压与短路电流随入射光波长变化的曲线（见图7～8）.

图7 3 种硅晶太阳能电池开路电压与光谱波长曲线关系

图8 3 种硅晶太阳能电池短路电流与光谱波长曲线关系

由图7～8 可知，单晶硅和多晶硅太阳能电池片的开路电压和短路电流的变化趋势相同，当光谱波长处于900 nm 左右，即相对光谱灵敏度值最大时，单晶硅太阳能电池片的开路电压和短路电流均取得最大值；当光谱波长在570 nm 左右，即非晶硅相对光谱灵敏度值最大处时，其开路电压和短路电流取得最大值.实验表明，当3 种硅晶太阳能电池片的相对光谱灵敏度值最大时，其开路电压和短路电流也位于最大值处.

3 结论

本文讨论了入射光波长对单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的开路电压、短路电流和光谱灵敏度等参数的影响.实验结果表明，入射光波长在900 nm 左右时，单晶硅太阳能电池片的开路电压和短路电流最大，对太阳光的灵敏度也最高，入射光波长小于900 nm 时，2种太阳能电池片的光谱灵敏度随入射光波长的增加而增大，入射光波长大于900 nm 后，2种太阳能电池片的光谱灵敏度随光谱波长的增大而减小；当入射光波长在570 nm 左右时，非晶硅太阳能电池的相对灵敏度值最大，此时的太阳光利用率最高，同时非晶硅的开路电压和短路电流也取得最大.