太阳能电池光谱响应度测量方法的分析与比较*

李铁成　石雷兵　林方盛 / 上海市计量测试技术研究院

太阳能电池光谱响应度测量方法的分析与比较*

李铁成石雷兵林方盛 / 上海市计量测试技术研究院

介绍太阳能电池光谱响应度的两种测量方法，即滤色片法和单色仪法，分析和比较其优缺点，并用这两种方法，对不同类型的太阳能电池（单晶硅和多晶硅）进行测量。结果表明，单色仪法能够反映该位置处太阳能电池的光谱响应特性；滤色片法更能准确反映出整块太阳能电池的光谱响应特性。光谱响应度的准确计量是实现太阳能量值传递和比对的关键技术。

太阳能电池；光谱响应度；滤色片法；单色仪法

0　引言

光谱响应度定义为太阳能电池在特定波长单位辐照度下的短路电流值，单位为A·W-1，它反映了太阳能电池对不同波长单色光的响应程度，太阳能电池的光谱响应度测量对于研究和开发太阳能电池具有重要意义［1］。

根据测量原理的不同，光谱响应度的测量方法可分为滤色片法和单色仪法［2］。滤色片法使用滤色片来生成不同波长的单色光，辐照强度较高，光束面积可变，适用于大面积太阳能电池的测试，如美国可再生能源实验室（NREL）和德国Fraunhofer太阳能系统研究所（ISE）等实验室［3］；单色仪法使用单色仪产生不同波长的单色光，波长间隔小，准确度高，适用于小面积太阳能电池的测试，如德国物理技术研究院（PTB）和中国计量科学研究院（NIM）［4］。

本文针对两种不同的光谱响应度测量方法进行分析，并使用上述两种方法，对不同材料的太阳能电池进行了测量，得到了较好的结果。

1　光谱响应度测量方法

光谱响应度的测量过程为：光源产生的单色光通过斩波器之后，照射到样品电池的表面，此时样品电池的响应为It，将标准电池放置在样品电池同一位置，此时标准电池的响应为Ir，已知标准电池的光谱响应度为Sr，则样品电池的响应St为

当单色光由滤色片产生时（如图1所示），即为滤色片法。

当单色光由单色仪产生时（如图2所示），即为单色仪法。

在日常的生产和检测过程中，大量遇到的是大面积的太阳能电池和组件。一般情况下，太阳能电池的受光面积会大于单色光照射面积且太阳能电池的光谱响应度并不均匀，即单色光只能照射到太阳能电池的一部分［6］，如图3所示。

图3　多晶太阳能电池的部分单色照明

此时的光谱响应度测量值并不能代表整块太阳能电池的实际值。在这种情况下，由光谱响应度计算得到的短路电流值将会大大高于或者低于实际值（最大可能超过10%）［7］。单色仪法的光斑面积较小，用于大面积太阳能电池的测试时，一般都存在上述问题。

2　实验结果与分析

针对单晶和多晶太阳能电池（尺寸为156 mm× 156 mm），分别使用滤色片法和单色仪法测量其光谱响应度。

2.1单晶太阳能电池

使用滤色片法测量单晶太阳能电池的光谱响应度，滤色片法产生的单色光面积大于单晶太阳能电池的受光面积，结果如图4所示。

使用单色仪法测量单晶太阳能电池的光谱响应度，单色仪法产生的单色光面积远远小于单晶太阳能电池的受光面积，一般小于栅线面积，实验选取电池的右上方、正中间和左下方3处位置进行测量（图5）。

不同位置处的单色仪法与滤色片法测量结果的差别如图6所示。

对于单晶太阳能电池，不同位置处的材料均为单晶硅，理论光谱响应度应当相同。然而由图4和图6可知，右上和中间位置处的光谱响应度比较接近，但与左下位置处的光谱响应度存在较大差别，

图4　单晶太阳能电池的光谱响应度

图5　单晶太阳能电池单色仪法测量位置

图6二种测量方法的差值即不同位置处的光谱响应度并不均匀，原因是单晶太阳能电池在生产过程中不可避免会产生一定的缺陷，即使其原料只含单晶硅，也会导致其不同位置处光谱响应度的不一致性。

同时，图6还表明，滤色片法得到的单晶太阳能电池的光谱响应度测量结果与不同位置处单色仪法得到的测量结果不同。一方面，由于单晶太阳能电池本身存在的固有缺陷；另一方面，太阳能电池中的栅线电极不是硅半导体材料，不具备光生电流的特性，无法为短路电流的产生提供帮助，因此也会影响光谱响应度的测量。

2.2多晶太阳能电池

使用滤色片法测量多晶太阳能电池的光谱响应度，滤色片法产生的单色光面积大于多晶太阳能电池的受光面积，结果如图7所示。

使用单色仪法测量多晶太阳能电池的光谱响应度，单色仪法产生的单色光面积远远小于多晶太阳能电池的受光面积，一般小于栅线面积，实验中选择了电池的右上方、右下方、正中间、左上方和左下方5处位置进行测量，如图8所示。

不同位置处的单色仪法与滤色片法测量结果的差别如图9所示。

图7　多晶太阳能电池的光谱响应度

图8　多晶太阳能电池单色仪法测量位置

图9　多晶太阳能电池单色仪法与滤色片法测量结果的差值

对于多晶太阳能电池，不同位置处的硅材料在晶面方向、导电类型和电阻率等方面会有所不同，因此其理论光谱响应度也会存在相应的差异。如图9所示，多晶太阳能电池在不同位置处的光谱响应度确实并不均匀。特别的，单色仪法在右上位置的光谱响应度测量结果与其他位置的测量结果差距最大，原因是此处的单色光正好照射在晶粒的边界上，其光电特性存在突变。

图9同时表明，滤色片法得到的多晶太阳能电池的光谱响应度测量结果与不同位置处单色仪法得到的测量结果并不相同。一方面，与单晶太阳能电池类似，原因包括太阳能电池本身的缺陷和栅线电极；另一方面，多晶太阳能电池在晶体结构和特性方面较单晶太阳能电池也更加复杂。因此，使用单色仪法得到的光谱响应度测量结果只能反映该位置处多晶太阳能电池的光谱响应特性，而滤色片法得到的光谱响应度测量结果更能准确反映出整块多晶太阳能电池（晶体结构和栅线电极）的光谱响应特性。

3　结语

分别采用滤色片法和单色仪法，对不同类型的太阳能电池（单晶硅和多晶硅）进行了光谱响应度的测量，结果表明，对单晶太阳能电池，即使材料相同，不同位置处的光谱响应度的测量结果也会不同；对多晶太阳能电池，由于材料在晶体结构方面的复杂性，不同位置处的光谱响应度的测量结果会有较大差异。因此，针对大面积的单晶或多晶太阳能电池，为了准确反映整块电池的光谱响应特性，滤色片法比单色仪法会更加合适。

［1］ International Electrotechnical Commission. 60904-4-2009［S］. Geneva， 2009.

［2］ Boivin L P， Budde W， Dodd C X， et al. Spectral response measurement apparatus for large area solar cells［J］. Applied optics， 1986， 25（16）：2715-2719.

［3］ Dunlavy D， Field H， Moriarty T. Photovoltaic spectral responsivity measurements［M］. National Renewable Energy Laboratory， 1998.

［4］ Metzdorf J， Winter S， Wittchen T. Radiometry in photovoltaics：calibration of reference solar cells and evaluation of reference values［J］. Metrologia， 2000， 37（5）： 573.

［5］ International Electrotechnical Commission. 60904-8-1998［S］. Geneva， 1998.

［6］ Mckel H， Cuevas A. Capturing the spectral response of solar cells with a quasi-steady-state， large-signal technique［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2006， 14（3）： 203-212.

［7］ Pravettoni M， Komlan A， Galleano R， et al. An alternative method for spectral response measurements of large-area thin-film photovoltaic modules［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications，2012， 20（4）： 416-422.

Analysis and comparison of different spectral response measurement methods of solar cell

Li Tiecheng，Shi Leibing，Lin Fangsheng
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Two different methods for determining the spectral response of solar cells， filter method and monochromator method， have been introduced in this paper. Each method has its own benefits and drawbacks. Both of two methods have been used to measure the spectral response of different kinds of solar cells， such as monocrystalline silicon and polycrystalline silicon. The measurement result of monochromator method only represents the spectral characteristics of different parts；the measurement result of filter method is more suitable to describe the spectral characteristics of the whole cell. The metrology of spectral response is the key technology for the calibration of solar energy.

solar cell； spectral response； filter method； monochromator method

国家质检总局科技计划项目（2013QK128）