太阳电池光电灵敏度测量仪的设计及应用

於黄忠

（1.华南理工大学a.物理系；b.亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640；2.中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室，广东广州510640）

1 引 言

随着全球对能源需求的日益增加，石油、煤炭、天然气等传统能源已经不能满足人类发展的需要，对再生能源的有效利用成为亟待解决的问题.在各种可再生的能源中，太阳能是取之不尽，用之不竭的能源[1－3].太阳电池日益受到人们的关注，并被广泛地研究.

光电灵敏度反映太阳电池对不同波长入射光的光电转化程度.光电灵敏度曲线可以反映太阳电池中活性层材料对入射太阳光的吸收范围及强度，故太阳电池光电灵敏感度的测量是研究太阳电池的有效方法之一[4].但目前市场上没有现成的太阳电池光电灵敏度测量仪，现在国内、外有条件的实验室都是根据自己的需要而自行搭建.本论文论述了本实验室自行搭建的太阳电池光电灵敏度测量仪的原理，并用光电灵敏度测量仪测出了共混体系太阳电池的光电灵敏度曲线.

2 仪器的设计及原理

薄膜太阳电池的不同薄膜活性层具有不同的光谱响应范围，在一定波长的入射光照射下，太阳电池的光电灵敏度与薄膜的吸收特性密切相关.光电灵敏度是反应器件对不同波长入射光的响应程度.光电灵敏度测量仪构成见图1.

图1 光电灵敏度测量仪的构成

在实验室条件下，通常使用模拟太阳光源，出射光谱被设计成能够很好地与AM1.5太阳辐射光谱相吻合.模拟太阳光源由功率为100W的氙灯为主要组成部分.氙灯辐射光谱从200～2 000nm有平滑连续的辐射输出，为了得到AM1.5的模拟太阳辐射光，在灯的辐射光前加滤光片.在一定高压下，氙灯发出较强的白光，经滤光片后，出射光在200～1 600nm之间非常接近AM1.5太阳辐射光谱.通过调节被测太阳电池与光源的距离，使得到达太阳电池光强为100mW／cm2，该光谱再经过斩波器进行一定频率的斩波（斩波的主要目的是让锁相放大器能接收到一定频率和一定相位的信号），这样便可有效地减少来自其他频率的光信号的干扰.经斩波后的光进入电动单色仪，电动单色仪中有干涉分光光栅，分光光栅把入射的混合光分解成单色光，故入射的白光经过电动单色仪射出的是各种波长的单色光，波长范围在200～1 600nm间.出射单色光照在太阳电池表面上，被太阳电池活性层吸收，经光电转换，将产生某一频率的光生电流.光生电流经适当运放后，转换为某一频率的光生电压信号，然后由锁相放大器接收、放大，并经数据采集读出该信号.不同频率的单色光照在太阳电池表面上，由于活性层对不同频率光的吸收程度不同，将产生不同强度的光生电流信号，出现不同强度的数值.以入射光的波长为横坐标，光生电流信号为纵坐标，绘制太阳电池光电灵敏度曲线.电动单色仪与锁相放大器的工作过程均由微型计算机控制，这样使得电动单色仪在一段时间内分出连续的各种不同波长的单色光.同时，在计算机的控制下，锁相放大器获得该连续波长段相应光生电压信号，并由计算机软件绘出相关图谱.

测量时在计算机系统的界面中设置测量所需起、始的波长分别为300nm和800nm，步进波长间隔为1nm，锁相放大器的工作频率为25Hz.先测标准硅太阳电池的电信号强度VSi，再换上被测太阳电池，单个太阳电池的面积0.15cm2，测出经太阳电池转化的电信号强度VDvice.太阳电池的光电灵敏度是器件对不同波长光的响应程度，是将在模拟太阳光照射下太阳电池测量的电信号强度VDvice除以标准硅太阳电池电信号强度VSi，再乘以标准硅太阳电池的标准数值PSSi，即：PS＝PSSiVDvice／VSi.标准硅太阳电池的标准数值PSSi由标准硅太阳电池厂家提供.

3 数据分析

图2为不同比例的高分子材料聚噻吩（P3HT）与C60的衍生物PCBM共混体系薄膜为活性层的太阳电池光电灵敏度曲线，图3为P3HT∶PCBM共混体系薄膜的紫外－可见光吸收曲线.从图2和图3可知器件的光电转换主要发生在350～660nm波长段，而紫外－可见光谱吸收主要在340nm处及450～650nm范围内，分别对应PCBM材料及P3HT材料的吸收[7－8].太阳电池的光电灵敏度曲线的峰值位置与其紫外－可见光谱吸收峰的位置大约对应，这说明了材料的吸收是太阳电池光电灵敏度谱线的主要来源.但这2种曲线又不完全对应，也说明了太阳电池光电转换不仅与材料的吸收有关系，也与太阳电池中的光生电荷的分离、传输及收集有关.从图2和图3中还能够得出不同质量比例的P3HT与PCBM，其光电灵敏度曲线与紫外－可见光谱吸收峰不同.当P3HT与PCBM的质量比值为2∶1时，在图3紫外－可见光谱中，对应P3HT的吸收段450～650nm强于比值为1∶1时的强度，而340nm处的吸收峰变弱.这是因为P3HT与PCBM的质量比为2∶1的薄膜体系中，P3HT的成份较多，对应的PCBM含量较少.而图2中P3HT与PCBM质量比值为1∶1时，太阳电池光电灵敏度曲线具有较高的峰值.这是因为器件的光电转换由材料的吸收，光生电荷的分离、传输及收集等因素决定，当P3HT与PCBM质量比例为2∶1的共混体系中，虽然太阳电池中P3HT含量较多，太阳光的吸收较强，但此时的P3HT与PCBM共混体系中，受体材料PCBM含量较少，光生电荷不能很好地分离与传输，从而造成太阳电池中光生电荷复合增大，不能够有效地转换成光生电流.而在P3HT与PCBM质量比例为1∶1体系中，给体材料P3HT与PCBM能很好地共混，光生电荷在其有效的寿命内有效地分离，被分离的正、负电荷分别在P3HT与PCBM互连网络中传输到各自的电极，从而产生光生电流.

图2 P3HT与PCBM共混太阳电池的光电灵敏度曲线

图3 P3HT∶PCBM共混体系薄膜的紫外－可见光吸收曲线

4 结束语

论述了太阳电池光电灵敏度测量的原理及设计，并用自行设计的光电灵敏测试仪测出了不同比例的P3HT∶PCBM共混体系聚合物太阳电池的光电灵敏度.结果表明，自行设计的太阳电池光电灵敏度仪器能够很好地测出聚合物太阳电池光电灵敏度，并对不同质量比的共混体系太阳电池灵敏感度曲线进行了分析，实验数据可靠，重复性好.

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