《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-3

中国科学院半导体研究所张兴旺2第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6中国科学院半导体研究所张兴旺3表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K质量：1.989×1030kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射黑体：能完全吸收辐射到它上面的各种频率电磁波而无反射的物体，黑体发出的辐射仅与本身的温度T有关。太阳的能量来源：太阳中心的热核反应！中国科学院半导体研究所张兴旺4光波长/m无线电波微波红外线紫外线可见光X射线射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm波长/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫热效应强，可加热，一切有温度的物体都能发射红外线有荧光效应、化学效应能，能辨比细小差别，消毒杀菌将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。光是一种电磁波，在空间传播的光能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做光子。4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺5辐照度：通常称为“光强”，单位面积上接收电磁波辐射的功率。常用P表示，单位为W/m2或mW/cm2光谱辐照度：由波长λ处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度，W·m-2·m-1。ddPI几个重要名词4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺6在地球大气层之外，地球—-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，太阳光谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。太阳常数1.353kW/m24.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺7太阳辐射透过大气层到地面的情况有两种直接辐射：由太阳直射到地面，中途不改变方向间接辐射：是经过大气吸收，散射或经地面反射而改变方向的辐射直接辐射和间接辐射之和称为太阳总辐射量2s/1359)5760(mWKP把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，可计算得到地球大气层外接收的太阳辐照度（太阳常数）为：实测值：1353W/m2太阳常数4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺8大气质量的定义太阳在头顶正上方时，大气光学质量为1，这时的辐射称为大气光学质量1（AM1）的辐射当太阳和头顶正上方成一个角度θ时，大气光学质量为：AM=1/cosθEarthAM0AM1AM1.5大气层头顶上方太阳仰角90°60°48.2°30°14.5°8.3°5.7°大气质量AM1.0AM1.2AM1.5AM2.0AM4.0AM7.0AM10典型的地球---太阳仰角的对应关系4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射在无法知道θ值的情况下，如何估算大气光学质量AM？中国科学院半导体研究所张兴旺9波长(m)光谱辐照度(Wm-2m-1)AM0辐射AM1.5辐射6000K黑体AM0的辐射光谱分布不同于理想黑体的光谱分布。把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，由得太阳表面的辐照度4sun_sssurfTP2sun_/2.63mMWPsurf斯特潘玻尔兹曼定律4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺10大气的组成可以分为三个部分：一是固定气体，包括氮、氧、氩、氪、氢、氖、氦等气体；二是变动气体，包括水蒸气、二氧化碳、臭氧等；三是固体尘埃，如烟、尘、微生物、花粉一类的有机物、放射性微粒等。阳光穿过地球大气层时，至少衰减了30％。影响地球表面太阳辐射的各种因素造成衰减的原因：1.瑞利散射或大气中的分子引起的散射。2.悬浮微粒和灰尘引起的散射。3.大气及其组成气体，特别是氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。4.5太阳电池的测试技术-太阳辐射中国科学院半导体研究所张兴旺11在标准光强下，测得太阳电池的IV曲线，进而得出该电池的各项参数，开路电压，短路电流，填充因子，转换效率。4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线通过模拟太阳灯光照射到电池片表面，测试太阳电池电流-电压特性曲线，同时测定入射光辐照度以计算电池效率。中国科学院半导体研究所张兴旺12地面用太阳能电池国际标准：测试温度25±2oC,光源的光谱辐照度1000W/m2,并具有标准的AM1.5太阳光谱辐照度分布。航天用太阳能电池国际标准：测试温度25±1oC,光源的光谱辐照度1367W/m2,并具有标准的AM0太阳光谱辐照度分布。在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱，简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19°，原因是这种情况在地面上比较有代表性。4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线测试条件中国科学院半导体研究所张兴旺13稳态太阳模拟器、脉冲式太阳模拟器类型定义优点缺点适合稳态工作时输出的辐照度稳定不变连续照射、稳定、标准太阳光光学、供电系统复杂庞大制造小面积太阳模拟器脉冲毫秒量级脉冲发光瞬间功率大采集系统复杂大面积测量太阳模拟器分类太阳光模拟器主机主要有：1000W氙灯光源、反射镜、光学积分器、快门、AM1.5滤波片、准直透镜等几部分组成。4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺14模拟器光源电光源结构特征缺点备注卤光灯卤光灯加水膜光谱和日光差别大，红外线含量大，紫外线含量少，色温2300K，3cm水膜滤除部分红外线，无法补充紫外线简易型冷光灯卤钨灯加介质膜反射镜对红外线透明，其他光线反射，色温3400K灯寿命短，50H简易型氙灯氙灯加滤光片光谱接近日光，但红外线多些，用滤光片滤掉光斑不均匀，电路复杂，价格贵，光学积分设备复杂，有效面积难做大精密太阳能模拟器脉冲氙灯脉冲氙灯短时间光强强，光谱特征比稳态氙灯好，可得大面积均匀光斑4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺15辐照不均匀度的检测辐照不均匀度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）×100％辐照不稳定度的检测辐照不稳定度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）不同点的辐照度而言测试平面上同一点的辐照度随时间改变时：光谱失配4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺16模拟器产生光谱与AM1.5G的差异光谱失配标准太阳电池用于校准测试光源的辐射照度4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线模拟阳光的辐照度只能用标准太阳电池来校准，不采用其他辐射测量仪表。标准太阳电池的类型：一级标准太阳电池：以与标准世界辐射计基准相一致的辐射计或标准检测器为基准标定的标准太阳电池。二级标准太阳电池中国科学院半导体研究所张兴旺17不能选用光幅度计简单测试光强，光谱必须考虑。由于太阳电池的响应与入射光的波长有关，入射光的光谱分布将严重影响所测电池的响应。如果采用对光谱无选择性的辐射计来测量太阳测量辐照度，由于光谱分布的改变，会给测量的转换效率带来百分之几的误差。为了减少这种误差，需选用具有与被测电池基本相同光谱响应的标准太阳能电池来测量光源的辐照度。为保证标准太阳电池与被测太阳电池具有基本相同的光谱响应特性，所选的用作池必须与被测太阳具有相同的材料，有相同的电池结构并用相同的工艺条件制作。对于新研制的太阳电池，由于其性能与工艺尚未稳定和定性，有时可选用其他稳定的太阳能电池，用适当的方法（如滤光片）使其光谱响应与被测电池基本一致，亦可作为标准电池。例如：有机电池，钙钛矿电池等新型太阳能电池，一般采用KG-5滤光的Si电池作为标准电池进行太阳光谱的校准。光谱失配——光谱校准和标准电池的选取4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺18光谱失配误差计算光谱失配误差=05.1,5.1,1)()()(dBFFAMSAMTdiIdiIIidiiFIidiiFAMSAMSAMTAMTAMSAMSAMSAMSAMSAMTAMTAMTAMTAMT)(,)()()()()()()()()(5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,)(5.1,AMSF式中：分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电流i(λ)与短路电流I之比：)(5.1,AMTF(3.3.1)(3.3.1)4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺191)()()(5.15.1BeeeAMAMsim)()()(5.1AMsimeeB即:B(λ)-1定义为光谱，表示太阳模拟器光谱辐照度esim(λ)和AM1.5的光谱辐照度eAM1.5(λ)的相对偏差.模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳电池。两种特殊情况下光谱失配误差消失：一种是太阳模拟器光谱和标准太阳光谱完全一致；另一种是被测太阳电池的光谱响应和标准太阳电池的光谱响应完全一致。这两种情况都难以严格实现，后一种更难实现，因为待测电池是多种多样的。为了改善光谱匹配，最好的方法是设计光谱分布和标准太阳光谱非常接近的精密型太阳模拟器。光谱失配误差计算4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺20多结电池的I-V测试需要使用不同波段可独立调节的多光源模拟器，尽可能减小失配。由于单光源模拟器的光源分布与实际应用时的太阳光谱分布存在很大的差别，因此用单光源模拟器已经不能准确测试多结叠层电池的I-V特性曲线。利用各个子电池的标准电池对多光源模拟器的响应波段进行反复调节，使各子电池的标准电池达到其标准值。4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺21调节太阳光强度，分析太阳能电池在不同光强下的各个参数的变化情况，分析器件复合机制，进一步提高器件的性能。利用Voc与光强关系，获得理想因子，研究电池复合机制等4.5太阳能电池测试-伏安特性曲线中国科学院半导体研究所张兴旺22WhyQE？测量结果与光源光谱分布无关，可信度高反映光电池对各波长入射光的响应情况能分别测量多结电池各子结的光谱响应4.5太阳能电池测试-量子效率中国科学院半导体研究所张兴旺23外量子效率：指入射光照射到光电器件上时，器件内产生的光生载流子的对数与入射的光子数目的比值。它是一个小于1的无量纲数。又分为外量子效率和内量子效率。对整个入射太阳光谱，每个波长为的入射光子对外电路提供一个电子的概率。内量子效率：吸收光子被转换的几率。()()()1()()EQEEQEIQEAbsRT()()()scEQEqAQI21()()()scqAEQEQIܳሺߣሻ为入射光子流谱密度，A为电池面积；q为电荷电量4.5太阳能电池测试-量子效率太阳能电池外量子效率，有时也被叫做IPCE，也就是太阳能电池光电转换效率(Incident-Photon-to-electronConversionEfficiency)中国科学院半导体研究所张兴旺24光谱响应、量子效率()()refrefqhcEQES()()samplesampleqhcEQES()()()()samplesamplerefrefSEQEEQES4.5太阳能电池测试-量子效率()()qSEQEhc光谱响应被定义为：S(λ)=I(λ)/P(λ)其中I为光电流，A/m2，P为单色光能量，W/m2光谱响应是指一定能量的单色光照到光电池上，产生的光生载流子被收集后形成的光生电流的大小。光谱响应分为等能量光谱响应S()（Spectralresponse）和等量子光