光譜響應測試在多結型太陽能電池中的應用

王婷婷，李松麗，許 蕾，張 俊

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114）

0 引 言

硅晶材料價格昂貴，而硅薄膜材料用料少（硅晶片＜200μm，硅薄膜＜5μm，材料用料不到硅晶片的5%）。因此，自2006年起硅薄膜太陽能電池[1-2]吸引了許多研究人員與廠家的關注。在轉換效率上，商用非晶硅薄膜模組的極限約為7%，而多結型硅薄膜太陽能電池模組[3-4]能夠超過10%，使得多結型硅薄膜太陽能電池已成為市場主流。圖1為雙層堆疊型太陽能電池的元件結構。在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜，接著制作高摻雜濃度的界面層后制作微晶硅薄膜與電極。

圖1 多結型硅薄膜太陽能電池結構圖

高效率多結型硅薄膜元件結構設計中最重要的關鍵點是需要各層電池的短路電流密度接近，稱為電流匹配。但是檢測各層電池的短路電流密度是十分困難的，無法使用一般的電流-電壓曲線儀測得各層電池的電流。光譜響應/量子效率光譜檢測技術是目前唯一能獨立量測出各層電池短路電流密度的技術。

本文將先介紹量子效率的測量原理，然后再探討光譜響應/量子效率在多結型硅薄膜太陽能電池中工藝改善上的具體應用。

1 光譜響應與量子效率的測量原理

光譜響應（spectral responsivity，SR）[5-8]是評價光電探測器件（如光偵測器、光度計、太陽能電池等）光電轉換能力的指標，也就是入射光子與電子轉換的效率（incident photon-electron conversion efficiency，IPCE）。例如，太陽能電池是一種將光能轉換為電能的光電器件，所以光譜響應也是評價其轉換效率的重要指標。

光譜響應SR（λ）可以表述為

式中：P（λ）——各波長入射光的能量，W；

I（λ）——太陽能電池接收到入射光后轉換成的電流，A。

其物理意義為：太陽能電池接受1W的光能可產生多少安培電流的能力，如圖2所示。可以發現，光譜響應、入射光的能量和轉換的電能均為波長的函數。

光譜響應 亦可稱為量子效率（quantum efficiency，QE）[9-11]或IPCE。將波長為λ的入射光能量轉換成光子數目，而電池產生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數，則光譜響應可表示成每一個入射的光子能夠轉換成傳輸到外部電路的電子的能力，稱為量子效率，單位以百分比來表示，如圖3所示。這也可稱為入射光子-電子轉換效率IPCE。

光譜響應SR（λ）與量子效率QE（λ）的換算可寫成下式：

式中：q——電子電量；

?——普朗克常數；

ν——光子頻率；

λ——入射光波長，nm。

改寫式（2）即可得量子效率 QE（λ）

量子效率反映了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率，而太陽能電池轉換效率的好壞，受到了電池本身材料、工藝、結構等因素影響，使其在不同波長具有不同的轉換效率。利用量子效率技術來檢測、分析電池在不同條件下轉換效率的變化，可以分析出工藝的優劣，并找出提高電池效率的關鍵因素。

2 光譜響應測試在堆疊型硅薄膜太陽能電池工藝改善上的應用

圖2 太陽能電池光譜響應/量子效率/IPCE原理示意圖

圖3 光譜響應與量子效率的轉換

使用光譜響應/量子效率光譜技術可測出太陽能電池各層的短路電流密度。當兩個子電池串聯時，總輸出電流是由較小電流的電池來決定，從而可知目前電池的電流由哪個子電池來控制，及要提高整體效率要針對哪一個子電池的制程進行改善。

圖4 非晶硅-微晶硅多結型硅薄膜太陽能電池上層電池與下層電池的光譜響應/量子效率光譜

圖4是利用光譜響應/量子效率光譜技術量測非晶硅-微晶硅多結型硅薄膜太陽能電池各層的光譜響應/量子效率光譜，此光譜對AM1.5G標準太陽光譜做計算可以得到各層的短路電流密度。上層電池（非晶硅層）與下層電池（微晶硅層）的短路電流密度分別為11.94mA/cm2及9.98mA/cm2，因此整體電池的輸出電流密度是由下層的微晶硅電池來決定。若是利用太陽光模擬器與電流-電壓曲線儀，僅能得到一個輸出電流密度，無法知道各層電池的好壞，更無法訂定明確的制程改善方向與目標。

以圖4的結果為例，利用光譜響應/量子效率光譜技術測出該電池的下層微晶硅電池限制了整體電池的輸出電流，因此可以將制程改善的方向放在下層微晶硅電池的制程，來提高微晶硅電池的轉換效率，使得上、下層電流密度匹配，即可提高整體效率，無需再設計更多的實驗條件來驗證是何層電池限制了整體電池效率，可大幅提升制程開發，效率改進的時程與成本。

圖5 標準雙層堆疊型電池結構及增加中間層ZnO作為光線捕捉的結構

任何在多結型太陽能電池制程上參數的改變，均可由光譜響應/量子效率光譜測試得知而改善。以非晶硅-微晶硅多結型太陽能電池為例，假設上層電池的電流密度小于下層電池的電流密度，輸出電流密度由上層電池來決定。若要調整上下層電池彼此的電流密度，以達到接近1∶1最佳的電流密度匹配條件，可由電池的結構來著手。例如，為增加上層電池的電流密度，可以在上下層電池間增加一層中間反射層如ZnO，將原本會穿透上層非晶硅電池的光部分反射回上層電池中，形成光線捕捉功能，提升上層電池的電流密度。圖5即為在標準雙層非晶硅-微晶硅多結型太陽能電池中有無增加中間層ZnO作為光線捕捉的結構的異同。

圖6為這兩種結構的光譜響應/量子效率光譜測試的結果。由圖6可以觀察到增加了ZnO層后，上層非晶硅電池在500～700nm波段效率顯著提升，如所預期的ZnO達到了光線捕捉的功能，也使上層非晶硅電池的短路電流密度增加。由于500～700nm波段的光被捕捉在上層電池，使得進到下層電池的500～700 nm波段的光線減少，因此下層微晶硅電池在此波段的電流密度降低，以致短路電流密度下降。因此，可以調整ZnO層的條件，并利用光譜響應/量子效率光譜來作為結果的檢測，將上下層電池在短路電流密度上調整的更佳匹配，以提升整體電池的輸出效率。

圖6 增加ZnO中間層制程前后的光譜響應/量子效率光譜

3 結束語

本文主要針對在高效率多結型硅薄膜元件結構設計中各層短路電流無法被測出這一困難，探討了光譜響應/量子效率光譜測試技術在這方面的應用。該項技術使電池各層在短路電流密度上達到最佳匹配從而改進制程，提高電池的效率，并可作為計量測試中電池片的標定。

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