太阳能电池光谱响应特性实验研究

黄尚永

(北京建筑大学，北京　102612)

太阳能电池光谱响应特性实验研究

黄尚永

(北京建筑大学，北京102612)

摘 要：光谱响应特性是太阳能电池的一项重要性能，但限于测量条件等一般无法精确测定。该文讨论了太阳能电池光谱响应的基本概念，回顾了以前的主要测量方法，介绍了两种新的可实现光谱响应度测量的实验装置，并通过具体数据分析了们的优点和不足。

关键词：太阳能电池；光谱响应特性；标准探测器

太阳能电池作为光伏发电的重要器件，其参数测量和特性研究是从业者须了解和掌握的基本知识[1-2]。一般对太阳能电池的测量中，先测其无光照情况下的暗特性，然后是光照特性测试，包括不同光强、不同温度情况下，单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池的短路电流和开路电压，寻找最大功率点，计算填充因子等，这些过程易于理解，所测数据也基本可靠。但涉及到光谱响应特性的测量，从理论到实践上总是存在一些问题，使得测量结果只是作为定性参考，而不足于作为定量。本文将对这些问题展开讨论。

1太阳能电池光谱响应特性的概念和测量方法

光谱响应特性表示不同波长的光子产生电子—空穴对的能力，即某一波长的光照射到电池表面时，每一光子平均所能收集到的载流子数。从应用角度讲，电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性匹配非常重要，可以充分利用光能和提高光电转换效率。比如，有的电池在太阳光照射下能进行有效光电转换，但在荧光灯照射下则不能。不同的光源，光谱和光强照射下，也会引起电池输出的变动，因此有必要深入研究光谱响应特性。根据上述基本定义，光谱响应可表示为

式中，JSC(λ)是电池的短路电流密度、q是电子电荷，F(λ)是太阳光子流密度、r(λ)是电池表面的反射率[3]。而此定义中的短路电流密度、光子流迷路、反射率等诸量都是无法直接准确测量的。

在此定义中，短路电流是容易测定的，而辐射功率就无法直接测量，需要通过另外标准光强探测器辅助测定。

上述定义中电池和探测器的响应度均为绝对响应度，在得到绝对响应曲线后，将线上各点均除于最大值，则得到相对光谱响应曲线，相对光谱响应曲线应用更广泛，一般测量装置中也是给出探测器的相对光谱响应。

对于标准探测器的设置，早期一般采用双光路结构，即单色光分成两束分别照射到电池和标准探测器上，分别检测输出电压[4-5]。但双光路结构为了提高测量精度在光路中放置较多器件，一般光学系统比杂，不易于普及。王殿元等人则利用溴钨灯光源，先标定了硅探测器的光谱响应曲线，然后测得电池在单色光下短路电流，进而获得光谱响应曲线[6]。张建民等对硅光电探测器光谱响应度测量标准装置进行了讨论，分析了可能产生的误差，这类装置提供的光谱响应相对不确定度测量一般在0.5%左右，有望实现0.1%[7-8]。现在实验室中一般采用经过光谱标定的标准光强探测器。其相对光谱响应度以表格或曲线方式作为标准给出，以方便实验者使用。

上述所涉及文献中测量方法总体上是基于光源-单色仪的测量装置，即通过比较被探测器(电池)和标准探测器对单色光辐射的响应，得到被探测器的光谱响应度，其目前应用最广泛，但测量精度要求高，对测量条件和细节要求较为严苛。其产生不确定度的来源主要是单色仪性能，或者说单色光的产生方式，其次是光源，下面谈论的两种测量方法光源和单色光产生方式就各不相同，掌握理论和测量方法，而难以保证测量精度。另有基于激光的测量装置，通过可调谐激光输出经稳定器后进入积分球产生均匀的准朗伯分布的高辐射通量光源以照射探测器，由于激光具有一系列优点，其测量极为精准但造价昂贵，维护成本高。

2两种测定光谱响应特性的实验装置

2.1光电技术综合实验平台

实验平台采用高亮度LED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源，产生400～630 nm离散光谱。通过测量电压的方法，定义和测量硅光电池的光谱响应特性。

式中，P(λ)为波长为λ时的入射光功率；V(λ)为电池在入射光功率P(λ)作用下的输出信号电压。

基准光强探测器，在相同光功率的辐射下，

式中U为不同单色光下电池输出电压，Uf为基准探测器显示的电压值， Rf(λ)为基准探测器的响应度。在测试过程中,Uf取相同值,则硅光电池的响应度大小由Rv(λ)=URf(λ)的大小确定.图1为说明书给定基准探测器的光谱响应曲线，从图上可得到下表中数据，即基准探测器对每个单色波长的相对响应度。

图1　标准探测器的光谱响应曲线

波长/nm红/630橙/605黄/585绿/520蓝/460紫/400基准响应度0.650.610.560.420.250.06电压/mV0.2700.2660.2570.2450.2800.252电池响应度0.1760.1620.1430.1030.070.015

根据自测数据，可得到硅光电池的光谱响应度曲线，见图2。

图2　所测硅光电池的光谱响应曲线

2.2太阳能光伏电池实验(探究型)系统

统采用高亮度氙灯作为光源，通过加置395～1 035 nm的滤色片而得到单色光，通过光强探测器探测光强，,测定每个波长的短路电I(λ)，则电池的相对光谱响应特性。此装置上还可以调节温度，并提供单晶硅、多晶硅、非晶硅3种不同类型电池便于比较。

说明书并未给出探测器的光谱响应曲线，根据给出数据描绘出的图线如图3，可以看到和图1所示曲线基本相同。由滤色片得到单色光，光谱范围有所扩大，较上多了几个可见光以外的数据。

表2中数据所用测试样品为单晶硅电池，在加置滤色片测量光强时系统可同时测出探测器的短路电流，然后换上电池片测出对应的短路电流。将归一化后的电池相对响应度作图，则得到图4，可以看到660 nm的数据稍有偏差，660 nm处电池电流和探测器电流都显著变大，但归一化响应度相对略小。总体上符合光谱响应曲线。

表2　太阳能光伏实验系统所测数据

图3　光强探测器的光谱响应曲线

图4　所测电池的光谱响应曲线

3讨论

硅太阳能电池对不同波长的光有不同的灵敏度，能够产生有效光伏效应的太阳辐射波长范围是400～1 100 nm,硅太阳能电池的光谱响应的灵敏度最大值集中在900 nm左右[6]。本文中采用两种测量仪器，所测数据和图线与上述结论较好符合。若用高亮度LED作为光源，光源便于切换，现象较为明显，易于观察，但受可见光波长范围限制，仅能提供400～600 nm范围内有限的几个可见光波长，难以测定700 nm以上范围。而用氙灯作为光源，原则上可以加任意波长的滤色片，得到相应的数据，还可以实现温度控制。操作过程大多由软件控制完成，只需简单换下滤色片和电池片，调节下软件界面相应参数，但软件对所测数据进行曲线拟合的功能还需进一步加强。这两套实验系统可以配合使用，便于使用者加深对光谱相应概念的理解，掌握测量方法。

参考文献：

[1]邵铮铮，李修建，戴荣铭.太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试[J].大学物理实验，2015(3)：21-24.

[2]刘海青，许飞.太阳能电池简析[J].大学物理实验，2015(1)：22-23.

[3]王涛，王正志.微光关照强度下太阳电池应用研究 [J].光电技术应用，2006(21):32-35.

[4]杨延娥.太阳电池光谱响应的等能测量[J].物理实验,1986，6(6):253-255.

[5]王世昌，刘湘生.SSAM-30型太阳电池光谱响应自动测试仪[J]..太阳能学报，1998():323-324.

[6]王殿元,王庆凯.硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J].物理实验，2007,27(9):8-10.

[7]张建民，林延东.硅光电探测器光谱响应度测量标准装置[J].计量学报，1998(3):194-198.

[8]中国科学技术协会主编.照明科学与技术学科发展报告2010-2011[M].北京，中国科学技术出版社，2011:60-61.

Research of Solar Cell Spectral Response Experiments

HUANG Shang-yong

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102612)

Abstract：The spectral response if one important characters of solar cells,but usually can’t be measured correctly.It discuss the basic concepts of spectral response,summarize the main measure methods used before,and introduce two new appratus used to measure the spectral response,analyse the advertages and disadvertages by data and graphs.

Key words：solar cells；spectral response；standard dector

收稿日期：2015-11-20

基金项目：北京建筑大学校设科学研究基金项目(Z12087,101203107 )

文章编号：1007-2934(2016)02-0006-03

中图分类号：O 4-34

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.002