实验五-单、多晶硅太阳能电池的性能表征

1实验五单晶和多晶硅太阳能电池的性能表征一、太阳能电池的结构及工作原理当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应称为光生伏打效应。当太阳光或其他光照射单晶和多晶硅半导体p-n结时，就会在p-n结的两边出现电压，叫光生电压，这就是单晶和多晶硅半导体p-n节的光生伏打效应；使p-n结短路，就会产生电流。图1a、b、c为商品太阳能电池的结构示意图。图1太阳能电池的结构及工作原理a.电池外型结构；b.电池纵向层剖析；c.太阳能芯片电路连接方式；d.光电流产生的原理单晶硅的原子是接照一定的规律排列的。硅原子的外层电子亮层中有4个电子，每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的空穴。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中搂入能够俘获电子的硼、铝、嫁或铟等杂质元素，那么它就成为空穴型半abcd2导体，简称p型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的氮、磷、砷或碲等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场（图1c）。由于此处电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射p-n结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子−空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向n型区，空穴被驱向p型区，从而使n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴；于是，就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。二、太阳能电池SC的性能测试的实验原理衡量一块SC的光电性能主要通过以下5个技术参数：开路电压VOC、短路电流密度JSC、填充因子ff、单色光光电转换效率IPCE(incidentphoton-currentefficiency)及总的光电转换效率η。通过I-V曲线测量，可以测量短路电流Isc或短路电流密度Jsc、开路电压Voc、峰值功率电流Imp测量和峰值功率电压Vmp测量（峰值功率Pmax），光电转换效率η和填充因子ff。1．开路电压VOC开路电压VOC（Open-circuitVoltage）是指电池在太阳光的照射下，电路处于开路状态时，电池两级间的电势差。对于SC来说，单一单晶硅片电池开路电压值一般为0.5-0.9V。2．短路光电流密度JSC短路光电流密度JSC(Short-circuitCurrentDensity)是指电池在太阳光的照射下，电路处于短路状态时，单位面积通过的光电流，单位为mA/cm2。3．填充因子ff填充因子ff(FillFactor)的定义为：电池在工作中实际的最大输出功率除以短路光电流与开路电压的乘积，其定义式可写为：maxmax()scocscocPJVffJVJV×==××其中Pmax为最大输出功率，其值为光电流密度J与光电压V乘积的最大值。填充因子是衡量SC性能的重要参数之一，它所表示的物理意义为SC由于存在内部电阻而导致的能量损失。由上定义式可知，ff的值应恒小于1，且越接近1表示电池的光电性能越佳，即损耗在内阻上的能量小。4．单色光光电转换效率IPCE3IPCE（MonochromaticIncidentPhoton-to-currentConversionEfficiency）也称入射单色光子-电子转换效率。设单位时间内，照射到SC上的波长为λ的单色光总光子数为np，SC经照射在外电路中产生电流的电子总数为ne，则np与ne的比值即为IPCE的定义。IPCE亦是衡量SC光电性能的重要参数。从决定因素来看，它又可以写为下式：IPCE=LHE(λ)×Φinj×Φcoll由上式可知，IPCE的值由三项的乘积共同决定，其中LHE(λ)为LightHarvestingEfficiency，即光吸收效率，Φinj和Φcoll分别为电子注入(Injection)量子产率及电子收集(Collection)效率；在实际的实验中，IPCE值的计算通常采用下式：2sc21204(eVnm)(mA/cm)IPCE(%)(nm)(W/cm)JIλ×=×其中λ、I分别表示入射光的波长及光通量。这样，在测得电池的短路光电流密度JSC后便可计算出IPCE值。5．光电转换效率η光电转换效率η是衡量SC性能好坏的最终标准。其定义式为：2scoc20(mA/cm)(V)(%)(mW/cm)JVffIη××=JSC、VOC、ff均可由J-V曲线求得，I0为入射太阳光的光通量，通常取值为100mW/cm2。从定义式可知，分母可视为常数，因此欲取得较高的光电转换效率关键是活的较大值的短路电流密度、开路电压以及填充因子。6．J-V曲线J-V曲线（或I-V曲线）对于评价SC的光电性能至关重要，如图2b所示。0.00.10.20.30.40.50.60.000.020.040.060.080.100.12P/mWJ/mA/cm2E/V0.0000.0050.0100.0150.0200.025a0.00.10.20.30.40.50.60.000.020.040.060.080.100.12Pmax(0.294,0.0724)IscVocJ/mA/cm2E/Vb图2标准太阳能电池的J-V和P-V曲线(Voc=0.52V;Isc=0.103mA)4首先可以从J-V曲线中得知的信息即为曲线与纵轴、横轴的交点，分别对应着SC工作时的短路光电流及开路电压，从而读出Jsc和Voc的值。其次，通过J-V曲线图可以计算填充因子ff的值。在图2b曲线的拐点处P点(P-V曲线的峰值点，图2a)即为电池在实际工作中的最大输出功率，并组成一个矩形，面积为S1。同理，由短路电流及开路电压同样组成一个矩形，面积为S2。则S1与S2的比值即为太阳电池填充因子ff的值。即ff=S1/S2。因此，J-V曲线中包含了DSC的三个性能参数：Jsc、Voc及ff。而这三个值是计算IPCE及η的基础。三、实验材料仪器单、多晶硅太阳能电池能板和CorreTestCS350电化学工作站，单晶硅标准太阳能电池（2.0cm×2.0cm）；Solar-500氙灯模拟太阳能光源，FZ400光功率计。四、实验步骤1．打开Solar-500氙灯模拟太阳能光源，预热15分钟，待光强度稳定后，使用光功率计调节光辐射的功率为100mW/cm2；2．从电脑桌面启动CorreTestCS350电化学工作站软件，把单晶硅标准太阳能电池与测试仪器相连，分别进行开路电位、线性扫描伏安法和交流阻抗测试。3．在一张硬壳纸上刻出一个2cm×2cm窗口，并使用它将太阳能电池能板盖住后，将待测的太阳能电池与测试仪器相连，分别进行开路电位、线性扫描伏安法和交流阻抗测试。五、结果与讨论1．开路电位（OpenCircuitPotentialVoc）2．线性扫描伏安法（LinearScanVoltammetryLSV）0123450.02.0x10-64.0x10-66.0x10-68.0x10-61.0x10-51.2x10-5J/A/cm2E/Va0123450.02.0x10-64.0x10-66.0x10-68.0x10-61.0x10-51.2x10-5P/WJ/A/cm2E/V0.05.0x10-61.0x10-51.5x10-52.0x10-52.5x10-5Pmax(3.13,5.91E-06)Pmax(3.13,1.84E-5)b图3单晶硅太阳能电池板（2.0cm×2.0cm）的J-V和P-V曲线(Voc=4.75V;Isc=0.010mA)53．交流阻抗（ElectronicImpedanceSpectrometryEIS）五、问题与思考1.分别计算单、多晶太阳能电池能板的填充因子ff和光电转换效率η？2.使用交流阻抗测定单、多晶太阳能电池怎样优化测试条件？