入射光波长对硅太阳能电池特性的影响

王 威， 毕江林， 孙维民， 谢 婷， 刘 博， 赵 含

(沈阳工业大学 a.理学院； b.信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870)



入射光波长对硅太阳能电池特性的影响

王 威a， 毕江林b， 孙维民a， 谢 婷b， 刘 博a， 赵 含a

(沈阳工业大学 a.理学院； b.信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870)

为了提高硅太阳能电池的效率，研究了入射光波长对硅太阳能电池表征参数的影响。实验中采用恒定功率的白炽灯为光源，经过不同的滤光片后得到不同波长的光，测定了在不同波长的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。实验过程中还发现，在入射光波长436 nm时，硅太阳能电池表面的氮化硅增透膜对硅太阳能电池表征参数产生的影响较大。

硅太阳能电池; 入射光波长; 表征参数

0 引 言

太阳能是一种具有清洁、巨大、长久、广泛等多种优点的资源，已成为能源危机下人类首选的新能源之一。太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，而提高太阳能电池的效率是开发和利用太阳能的首要任务[1]。太阳能电池的效率问题一直是人们关注的重点[2-5],太阳能电池特性的测量与其开发和利用有着紧密的联系。目前许多国家投入了大量的人力和物力对太阳能电池的特性进行研究。

在文献[1]中，实验使用了溴钨灯做为光源，光栅作为选光装置，测定硅太阳能电池的光谱响应曲线。该实验装置获得单色光的方式新颖，但装置设计较为复杂。文献[6]讨论了光源对填充因子、短路电流和开路电压的影响。结果表明，填充因子对光源的依赖性不强，短路电流与相对光强成线性关系，开路电压与相对光强的自然对数成线性关系。文献[7]中讨论了光照强度和负载电阻对输出功率的影响机制。结果显示太阳能电池板的内阻与光照强度成正比。目前关于入射光波长对太阳能电池特性参数的研究还尚少。

本实验采用滤光片得到单一波长的单色光，测定不同波长的入射光对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等表征参数的影响，分析了入射光波长和太阳能电池涂层颜色对硅太阳能电池特性影响。

1 实验部分

太阳能电池在没有光照时可视为一个二极管，其正向偏压U与通过电流I的关系[8]为

(1)

式中:I0为无光照时反向饱和电流;β为一常数。当入射光子能量大于能隙时，半导体吸收光子，产生电子和空穴对。在二级管内电场的作用下，电子和空穴结合产生光电流。在有光照时，太阳能电池的特性比较复杂，可简单看作是有一理想电流源(光生电流)、一个二极管、一个并联电阻Rs和一个串联电阻Rsh所组成[9-11]，如图1所示。图中:Iph为太阳能电池在光照时等效电流源的输出电流;Id为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律可得:

(2)

式中:I为太阳能电池的输出电流;U为输出电压。

图1 太阳能电池理想模型

当Rsh=∞、Rs=0时，输出电流:

(3)

在短路时,有U=0，得到电路电流[12]:

(4)

而在开路,

时，可以得到开路电压的表达式:

(5)

填充因子体现了太阳能电池输出功率随负载变动的特性，是表征太阳能电池质量好坏的一个指标[13]，其表达式为

(6)

式中，太阳能电池的最大输出功率

(7)

2 数据处理分析

2.1 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的输出电压值，短路电流是太阳能电池的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性能和转化效率的基本参数。实验时打开白炽灯，通过更换滤光片获得5种单色光，波长分别为：λ=365,405,436,546,577 nm。分别测定在5种单色光照射下的开路电压和短路电流。作出太阳能电池开路电压和短路电路与入射光波长的关系曲线，如图2所示。

图2 开路电压和短路电流与入射光波长的关系曲线

由图2可知，当入射光波长436 nm时,开路电压和短路电流值均为最小;入射光波长577 nm时的开路电压和短路电流最大。理论上，硅太阳能电池的光谱响应范围在0.4～1.1 μm，其光谱响应的最大值在0.8～0.95 μm[14]。在光谱响应范围内，光谱响应随入射光波长的增大而增大。因此，入射光波长577 nm时的开路电压和短路电流最大。在入射光波长436 nm时开路电压和短路电流最小是因为实验中使用的太阳能电池板表面涂有主要成分为氮化硅的增透膜。从表面上看显蓝色，而当入射光为蓝光时，太阳能电池板对蓝光的反射作用比较强，因此在蓝光照射下，开路电压和短路电流也就比较小。

太阳能电池伏安特性曲线常被用来研究硅太阳能内阻的变化规律，涉及太阳能运用中系统集成和电路稳定性等多方面因素。实验时改变电阻箱的阻值，将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线,就得到太阳能电池的伏安特性曲线，如图3所示。

由图3可知，不同波长入射光照射下，随着负载阻值的增大，太阳能电池的输出电压逐渐增大，回路中的电流逐渐减小，并且太阳能电池的内阻也逐渐增大。

2.2 入射光波长对Pm的影响

太阳能电池的最大输出功率是直接影响太阳能电池能量有效利用的重要参数之一。图4是太阳能电池最大输出功率随入射光波长变化的关系曲线。

图3 太阳能电池的伏安特性曲线

图4 最大输出功率与入射光波长的关系曲线

由图4可知，当入射光波长增大时，最大输出功率先增大后减小，然后再增大。

太阳能电池有效利用的能量是激发电子-空穴对的能量。随入射光波长的增大，晶格振动损耗的能量逐渐减小，光子能量利用率逐渐提高。因此，太阳能电池最大输出功率随波长的增大而增大。当入射光波长365 nm时，不在其频率响应范围内，因此当入射光波长365 nm时，太阳能电池的输出功率较小。

本实验中使用的太阳能电池表面涂有蓝色的氮化硅膜，对波长为436 nm的蓝光反射作用较强。因此，在入射光436 nm时太阳能电池的输出功率较小。

2.3 入射光波长对负载和填充因子的影响

填充因子FF是指太阳能电池最大功率和开路电压与短路电流乘积的比值，是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高[15]。图5是填充因子与入射光波长的关系曲线图。

图5 填充因子与入射光波长的关系曲线

由图5可知，随入射光波长增大，填充因子先增大后减小，然后再增大。由于365 nm的入射光不在硅太阳能电池的光谱响应范围内，所以入射光波长365 nm时，填充因子较小。太阳能电池表面涂有蓝色的氮化硅膜对波长为436 nm的蓝光反射作用较强导致在入射光为436 nm时太阳能电池的填充因子较小。总体上，随入射光波长的增大，光子能量利用率逐渐提高，填充因子也逐渐增大。

3 结 语

对太阳能电池的输出特性的研究是提高太阳光利用率的关键所在。入射光的波长是影响太阳能电池的输出特性重要因素之一。本文讨论了入射光波长对硅太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率及填充因子等表征参数的影响。研究结果表明，入射光波长较长时，有助于硅光电池获得更大的输出功率和填充因子，而硅光电池表面涂层的颜色对硅光电池的表征参数也会有较大的影响。

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Influence of Wavelength of Incident Light on the Characteristics of Si Solar Cells

WANGWeia,BIJiang-linb,SUNWei-mina，XIETingb,LIUBoa,ZHAOHana

(a. School of Science； b. School of Information Science and Technology，Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China)

Si solar cell is one of the most widely used for photovoltaic cells. In this paper, the effect of the incident light’s wavelength on the characteristic parameters of Si solar cells was studied to improve its efficiency. In the experiment, the constant power’s incandescent lamp was selected as a light source to get different wavelengths’ light through different filters. The changes of Si solar cells’ characterization parameters were determined in a different wavelengths’ incident light. The results show that the open-circuit voltage, short-circuit current, maximum output power and fill factor increase gradually with the increase of the incident light. Moreover, when the incident light’s wavelength was 436 nm, silicon nitride anti-reflection film on the Si solar cells’ surface had a greater impact on Si solar cells’ characteristic paramters. The experimental results basically coincided with theoretical analysis.

Si solar cells; wavelength of incident light; characterization paramters

2015-01-04

辽宁省普通高等学校本科实验教学示范中心建设项目(S201144)；沈阳工业大学教育教学改革重点项目(2011-35)；沈阳工业大学大学生创新创业训练计划(甲类)

王 威(1978-)，男，辽宁辽阳人，讲师，现主要从事大学物理和演示实验教学研究。

Tel.：13998204589；E-mail:ww9803@126.com

O 4-34

A

1006-7167(2015)10-0044-03