中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所 ■ 王金玉伊紀(jì)祿 袁明翰 徐正元

替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的研制

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所 ■ 王金玉*伊紀(jì)祿 袁明翰 徐正元

通過(guò)在單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，減小非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池與非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)失配引起的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)證明，替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線與非晶硅薄膜太陽(yáng)電池基本一致。

替代型非晶硅；薄膜；標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池；光譜響應(yīng)；光譜失配

0　引言

采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法，以玻璃、不銹鋼、聚酯類膜等廉價(jià)材料為基底制備而成的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，因其具有環(huán)境友好和原料豐富、光吸收系數(shù)高、能源回收期短、弱光效應(yīng)良好、熱穩(wěn)定性較好、顏色及造型美觀等優(yōu)點(diǎn)獲得了發(fā)展的契機(jī)。

如何準(zhǔn)確測(cè)量非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)，直接關(guān)系到生產(chǎn)廠家和客戶的經(jīng)濟(jì)利益，同樣對(duì)于電池的分類篩選和工藝改進(jìn)也起著至關(guān)重要的作用。但由于非晶硅材料本身存在S-W效應(yīng)，不能直接作為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池使用，給非晶硅薄膜太陽(yáng)電池性能測(cè)試評(píng)估帶來(lái)了困難。本文通過(guò)在單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，減小非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池與非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)失配誤差，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1　晶體硅光譜響應(yīng)

目前國(guó)內(nèi)某些實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠家直接利用非晶硅太陽(yáng)電池或晶體硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，引入了很大的測(cè)試誤差。圖1為單晶硅、非晶硅太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)曲線，由圖1可看出二者之間的相對(duì)光譜響應(yīng)失配較大。

圖1　單晶硅、非晶硅太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)曲線

圖2為符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級(jí)［1］太陽(yáng)模擬器的光譜曲線圖。根據(jù)IEC 60904-7-2007規(guī)定，光伏器件測(cè)量過(guò)程中若存在測(cè)試光譜和標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的失配、標(biāo)準(zhǔn)電池和測(cè)試樣品之間的光譜響應(yīng)失配，這兩種失配共同影響測(cè)試結(jié)果，為降低二者引起的測(cè)試偏差，需進(jìn)行光譜失配的計(jì)算，可由式(1)計(jì)算出［2］：

式中，Eref(λ)為IEC 60904-3-2016規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光譜在波長(zhǎng)λ處單位帶寬的輻照度；Emeas(λ)為測(cè)試光譜在波長(zhǎng)λ處單位帶寬的輻照度；Sref(λ)、Ssample(λ)分別為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池、被測(cè)太陽(yáng)電池在波長(zhǎng)λ處的光譜響應(yīng)。

圖2　太陽(yáng)模擬器光譜分布圖

圖1所示的單晶硅、非晶硅太陽(yáng)電池在太陽(yáng)模擬器光譜和標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的光譜失配系數(shù)MM=0.95。若直接使用該單晶硅太陽(yáng)電池作為標(biāo)準(zhǔn)電池，設(shè)定太陽(yáng)模擬器的輻照度，然后在該太陽(yáng)模擬器下對(duì)圖1所示的非晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)IEC 60904-7-2007的相關(guān)規(guī)定，將引入約5.3%(1/MM)的測(cè)試誤差。

由模擬器光譜與AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的光譜失配，以及非晶硅與單晶硅太陽(yáng)電池之間的光譜響應(yīng)失配引起的測(cè)試誤差，雖可通過(guò)光譜失配修正來(lái)減小，但光譜失配修正結(jié)果的準(zhǔn)確性還需用其他標(biāo)定方法進(jìn)一步驗(yàn)證，且這種修正方法相對(duì)繁瑣，不如直接用非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池設(shè)定太陽(yáng)模擬器的輻照度然后進(jìn)行測(cè)試更簡(jiǎn)單易行。

由于非晶硅太陽(yáng)電池本身的固有缺點(diǎn)，直接選用非晶硅太陽(yáng)電池做標(biāo)準(zhǔn)電池，遠(yuǎn)不如在單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池上安裝合適的濾光片模擬非晶硅太陽(yáng)電池更為實(shí)際、有效，這樣可消除由于非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池不穩(wěn)定及晶體硅、非晶硅太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)不匹配而引入的測(cè)試誤差問(wèn)題。同時(shí)，我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)部加入測(cè)溫元件，可消除測(cè)試過(guò)程中由于溫度差而產(chǎn)生的測(cè)試誤差問(wèn)題。

2　替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的制作

替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池主要由電池殼體、濾光片、晶體硅片層壓件、接插件、測(cè)溫元件等組成。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3　替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)電池的結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)范圍為300～1100 nm，峰值位于800～900 nm；非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)范圍為400～800 nm，峰值位于500～600 nm。單晶硅的光譜響應(yīng)范圍大于非晶硅的光譜響應(yīng)，且單晶硅太陽(yáng)電池的量子效率大于非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的量子效率。從理論上可得出，通過(guò)在單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池上安裝合適的濾光片作為替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，來(lái)模擬非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)。由于非晶硅薄膜太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)峰值位于500～600 nm波段，濾光片需濾掉800～900 nm波段光譜，吸收500～600 nm波段光譜，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)篩選，厚度為1 mm的青藍(lán)色玻璃較為合適。

根據(jù)IEC 60904-2-2015中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光伏器件的要求可知［3］：

1)將篩選好的單晶硅太陽(yáng)電池(2 cm×2 cm)與EVA膠膜、黑色TPT背板、濾光片在層壓機(jī)內(nèi)層壓制備層壓件；層壓完成后，對(duì)層壓件進(jìn)行篩選，剔除外觀不合格與電性能較差的層壓件。

2)在已篩選好的層壓件的正、負(fù)極上分別焊接引出線，采用四線制焊接，并將熱電偶粘貼在層壓件的背表面；待膠固化后將層壓件放入已加工好的電池殼體中，固定好后利用灌封膠封裝。

3)待膠體固化好后，將電極引出線、熱電偶、接插件等進(jìn)行焊接，替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)電池制作完成。

3　測(cè)試結(jié)果及使用效果

3.1替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池相對(duì)光譜響應(yīng)的測(cè)量［4］

用各種不同波長(zhǎng)的單色光分別照射太陽(yáng)電池時(shí)，由于光子能量不同和太陽(yáng)電池對(duì)光的反射、吸收，以及光生載流子的收集效率等因素的影響，在輻照度相同的條件下也會(huì)產(chǎn)生不同的短路電流。用所測(cè)短路電流密度與輻照度的比值，即單位輻照度下產(chǎn)生的短路電流密度與波長(zhǎng)的函數(shù)來(lái)定義絕對(duì)光譜響應(yīng)，用絕對(duì)光譜響應(yīng)的最大值歸一化光譜響應(yīng)來(lái)定義相對(duì)光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)反映了太陽(yáng)電池對(duì)波長(zhǎng)不同的單色光的響應(yīng)程度，是評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換能力的指標(biāo)，對(duì)分析太陽(yáng)電池的工藝問(wèn)題及研究太陽(yáng)電池的性能有重要意義。

待光譜響應(yīng)測(cè)試儀系統(tǒng)穩(wěn)定并校準(zhǔn)后，將替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池安裝在測(cè)試平臺(tái)上，調(diào)整單色光光斑，使標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池放在單色光照射的范圍內(nèi)，然后開(kāi)始測(cè)量替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)，其相對(duì)光譜響應(yīng)曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，光譜響應(yīng)峰位于500～600 nm波段，在400 nm波長(zhǎng)處的相對(duì)光譜響應(yīng)大于35%，在800 nm處的相對(duì)光譜響應(yīng)小于10%，與圖1中的非晶硅太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)曲線相似。

圖4　替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池相對(duì)光譜響應(yīng)曲線

在圖2所示的符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器下，替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池與圖1所示的非晶硅太陽(yáng)電池的光譜失配系數(shù)MM=1.01。根據(jù)IEC 60904-2-2015的規(guī)定，當(dāng)按照IEC 60904-7-2007確定的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池和被測(cè)太陽(yáng)電池在測(cè)試所用光照下的光譜失配修正小于1%，失配修正可省略。

3.2替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池電性能的使用效果

在滿足IEC 60904-2-2015規(guī)定的天氣條件的自然光下和圖2所示符合IEC 60904-9-2007規(guī)定的AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器下，對(duì)照替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，分別測(cè)試一件尺寸為30 cm×30 cm的非晶硅光伏組件，得到該組件的短路電流Isc1= 240.8 mA、Isc2=239.0 mA，二者相差1.8 mA。所以由自然光光譜與太陽(yáng)模擬器光譜之間的光譜失配和非晶硅太陽(yáng)電池與單晶硅電池之間的光譜響應(yīng)共同引起的光譜失配修正MM很小。

由式(1)可知，當(dāng)測(cè)試用光源的光譜分布與IEC 60904-3-2016規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光譜分布相同或被測(cè)太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)相同時(shí)，可省略光譜失配修正。由此可見(jiàn)，尺寸為30 cm×30 cm的非晶硅光伏組件的相對(duì)光譜響應(yīng)與替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)基本相同，Isc1與Isc2差別才很小。

4　結(jié)論

在太陽(yáng)模擬器下測(cè)試太陽(yáng)電池的電性能時(shí)，應(yīng)盡量選擇和被測(cè)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線基本一致的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，根據(jù)IEC 60904-7-2007第3章的要求，不需要進(jìn)行光譜失配修正。根據(jù)上述方法研制的替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，相對(duì)光譜響應(yīng)曲線與非晶硅薄膜太陽(yáng)電池基本一致，光譜失配系數(shù)MM=1.01，可省略光譜失配修正。

替代型非晶硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、易于操作、成本低廉，既可作為非晶硅薄膜太陽(yáng)電池測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，也可作為監(jiān)測(cè)器件長(zhǎng)期在室外連續(xù)工作。

［1］ IEC 60904-9-2007, Photovoltaic devices-Part 9∶ Solar simulator performance requirements［S］.

［2］ IEC 60904-7-2007, Photovoltaic devices-Part 7∶ Computation of the spectral mismatch correction for measurements of photovoltaic devices［S］.

［3］ IEC 60904-2-2015, Photovoltaic devices-Part 2∶ Requirements for photovoltaic reference devices［S］.

［4］ 張獻(xiàn)逢. 多結(jié)太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)研究［D］. 天津∶ 河北工業(yè)大學(xué), 2007.

2016-05-03

王金玉(1980—)，女，碩士，主要從事太陽(yáng)電池測(cè)試方面的研究。yugi0501@163.com