單片疊層太陽能電池光譜響應測試系統電路設計

白芳　劉朔琪　劉興

【摘 要】太陽能電池可以把光能轉化成電能。物理學上稱其太陽能光伏，又稱光伏。多結化合物半導體太陽能電池具有轉換效率高，溫度特性良好，環境污染較低和成本較低等優勢。本文針對三結太陽能電池，研究如何進行測試的操作與理論，設計對電性能指標測試的平臺，為測試提供理論支持。主要是解決好測試中的單色器范圍過窄、紫外單色光強度不夠等關鍵技術問題。設計測試平臺，提出多結太陽能電池關于光譜響應測試需要應用到的電偏置新算法，得到可以操作的單片疊層太陽能電池光譜響應測試系統。

【關鍵詞】多結太陽能電池；光譜響應曲線；電偏置

中圖分類號： TM914.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.014

Design of circuit of spectral response test system for single-chip laminated solar cells

BAI Fang LIU Su-qi LIU Xing

（College of Information， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

【Abstract】Solar cells convert light energy into electricity. In physics， it is called solar photovoltaic， also known as photovoltaic. Multi-junction compound semiconductor solar cells have the advantages of high conversion efficiency， good temperature characteristics， low environmental pollution and low cost.This paper focuses on the operation and theory of how to conduct tests for three-junction solar cells， and designs a platform for testing electrical performance indicators to provide theoretical support for testing. It is mainly to solve the key technical problems such as the narrow range of the monochromator in the test and the insufficient intensity of the ultraviolet monochromatic light. Designing a test platform and proposing a new algorithm for electrical biasing of multi-junction solar cells for spectral response testing， a single-chip stacked solar cell spectral response test system is available.

【Key words】Multijunction solar cell； Spectral response curve； Electrobias

0 引言

太陽能是一種能量巨大的可再生能源。太陽每秒鐘傳送到地球的能量相當于億桶石油的能量，等于全球一天所消耗的能源。太陽能作為21世紀新能源技術，具有極其遠大的前景與潛力。

太陽能光伏發電指利用太陽能電池將太陽光能轉化為電能的一種發電方式，太陽能發電系統的核心光電轉化[1]的最小單位為太陽能電池單元。單元進行串并聯并封裝得到太陽能電池組件，功率范圍一般為幾瓦到幾百瓦。太陽能電池組件作為電源使用的最小單元，太陽能電池方陣就是由這種太陽能電池組件串并聯構成，功率輸出足夠負擔負載需要。

現存已知太陽能電池中，硅太陽能電池作為太陽能電池的主要品種，擁有高可靠性、 壽命長、環境適應性強等眾多優點。硅是地殼中含量除氧之外最多的元素，其次硅太陽能電池的制備主要依靠半導體工業技術，技術發展和資源利用更普遍。太陽能電池按材料分一般主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、有機電池、化合物電池和染料敏化電池等。按形態結構分主要有疊層電池、薄膜電池等。為了提高效率與降低成本，需要改進技術的同時綜合考慮原材料的價格，環境保護以及轉換效率等因素，所以硅電池成為太陽能電池最重要的組成成員。

多結太陽電池是一種高效率的太陽能電池，每個電池有多個采用分子束外延技術或有機金屬化學氣相沉積法生成的薄膜。這些薄膜所構成的半導體有不同的特征能隙，而這些能隙可以吸收光譜中特定頻率的電磁波能量，因此生成的半導體能吸收太陽光中的大部分頻率的光，生成更多的能量。

任何單一材料的半導體材料的光電響應光譜范圍與太陽光譜相比都太窄，只能轉換太陽光譜中一定范圍的光能，降低了效率。因此，為提高利用效率，將具有不同禁帶寬度的半導體材料互相組合起來，吸收轉換不同波長范圍的入射光，頂層電池的能帶最高，往下依次減少，能高的光子被上面能帶高的電池吸收，能低的光子下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽能電池的轉換效率，產生了雙結、三結等多結疊層太陽能電池。

下圖1出自美國能源部可再生實驗室的一份研究報告對各類型太陽能電池的分析

國內開始多結太陽能電池測試的研究工作較晚，因此國內系統只停留在可以測試傳統單結太陽能電池光譜響應的階段。目前，在國際相關學術資料上，多結太陽能電池的光譜響應測量理論、具體技術應用研究較少。同時，由于國外在此方面的技術的封鎖與設備不外賣的原因，增大了我國的研究難度。從上世紀90年代開始，國外部分先進的光伏測量實驗室，開始了對多結太陽能電池測試的研究，經過深入研究多結太陽能電池的測試理論，開發出多結太陽能電池測量的技術及其應用設備。

圖1 晶體硅、非晶硅薄膜、單片疊層以及有機化學、染料敏化電池轉化率提高歷史圖[50]

Fig1 Crystalline silicon， amorphous silicon thin film， monolithic multi-junction， and organic cells conversion rate improving history[50]

我國國土面積廣闊，東西跨度大，光線充足的地區數量多，太陽能光伏發電在我國擁有很好的發展前景。通過加大在太陽能光伏發電的研究力度，減少能量轉換過程中的能量流失，進而提高效率，降低成本，緩解能源短缺問題，減少不可再生資源使用，保護環境。

多結太陽能電池采用半導體外延生長技術將不同的化合物半導體層合成在一起，利用隧道二極管將各個分立的太陽能電池串聯在一起，相互串聯的結之間沒有引線，因此多結太陽能電池整體只有一對光電轉換輸出的正、負極。這些特性決定其光譜響應測試[2]只能通過對多結太陽能電池整體進行測試。在整體測試過程中各個P/N結之間的光特性和電特性互相影響，因此現有的單結太陽能電池光譜響應測量系統無法測試多結太陽能電池光譜響應。

本文主要是研究多結太陽能電池的測試方法，并設計電性能指標的測試平臺，以此為測試提供理論依據和實驗數據。通過解決測試過程中遇到的單色光光譜范圍過窄、各個P/N結之間的光特性和電特性互相影響等技術問題，來解決光偏置、電偏置理論與應用、微弱信號檢測等關鍵問題。通過采用光偏置、電偏置等關鍵技術測試多結太陽能電池光譜響應，再將AM0狀態下的太陽能光譜曲線與光譜響應曲線相乘后積分，得到結點的短路電流，從而能夠較準確的估計出多結太陽能電池的效率。本研究將多結太陽能電池光譜響應測試系統電路硬件開發研究作為重點，側重系統的整體搭建和電路硬件設計。

1 疊層太陽能電池原理介紹

1.1 太陽光譜簡介

太陽光有著范圍極其廣的連續譜和大量的吸收線和發射線，擁有許多太陽信息。太陽電磁輻射中，99.9%的能量集中在紅外區、可見光區和紫外區。而可見光區的能量占太陽輻射的50%，紅外區占43%。紫外區只占能量的7%。太陽輻射的能力最高的范圍大概在其波長0.48微米左右。因為考慮到GaInP，Ga（In）As，Ge的光譜響應范圍（GaInP350-650nm，Ga（In）As650-900nm，Ge900-1900nm），所以在本系統中選用的激勵光源光譜范圍大概為350-1900nm之間。AM0下太陽輻射光譜圖如下圖所示：

一個太陽常數（簡稱1AM0）定義為在距離太陽一個天文單位，且無大氣吸收的前提條件下，與陽光垂直的單位面積上的太陽輻射能量。國際規定1AM0=1353W/m2。[3]假設光子數為N（λ）厘米-2秒-1的規定是指每秒投射到單位面積P/N結上的光子能量為hω的光子數，則單色光輻射能流就是Pin

因為太陽光譜波長寬，包含各種波長，所以實際入射光能是太陽光所包含的各種波長的光能之和。根據以上概念可以總結為

在無大氣吸收的情況下，Pin=1AM0，大約由300納米到1500納米的波長范圍是太陽光譜的主要部分，然而若無大氣吸收則光譜峰值在500納米左右。

1.2 光生伏特效應[4]

根據法國科學家皮庫雷爾的”光生伏特效應”，制作綜合不同電子特性的半導體材料的太陽能電池，由于內電場的作用，產生了電動勢，電壓出現在其正背面之間，連接的外電路就產生了電流。

1.3 光譜響應概念

因各種波長不同的單色光的光子能量不同，其照射時會產生不同的短路電流。短路電流密度與輻照度之比，又可定義為單位輻照度所產生的短路電流密度與波長的函數關系，由此測量絕對光譜響應結果為

2 多結太陽能電池光譜響應系統設計

2.1 機械系統設計

將眾多儀器部件組裝在一個工作臺上，，將被測電池和參考標準電池放入恒溫樣品室避免溫度影響；同時設計一個半透明半反光的濾光片來分光。

2.2 光學系統設計

單色光系統，為了解決光譜響應范圍覆蓋問題，將傳統的單光柵單色儀換成三光柵單色儀。為滿足350nm～1900nm的光譜范圍應用，采用鹵鎢燈。若鹵鎢燈不能達到預期要求，則在部分波段換為氙燈（HID），因為氙燈在300～400nm范圍內具有很強的光譜，但是光譜強度的重復性低于鹵鎢燈。其次需要找到一個合理的切換點，該點之前采用氙燈，之后換用鹵鎢燈。從而盡量減小光源不穩定造成的誤差。采用偏置光源的原因，是因為被測電池進行光譜響應測試時，需在單色光和偏置光照射下。對于多結電池的測量的要為每一結子電池的測量需要單獨進行。誤差可能出現在當測量某一結電池時，測量結果可能被其他電池的導通狀態會影響。通過偏置光需要使其他電池產生的光電流達到相對飽和狀態。光譜響應測試產生較大的光伏電流的目的是為了限制電流，具體操作是對被測結電池照射較弱的偏置光。設計多束偏置光，分別經過各自的濾光片、可調節的光闌、可以進行復雜操作的光纖和復眼透鏡，其出射波譜分別介于300～650納米范圍之間、650～900納米范圍之間、900～1900納米范圍之間。

2.3 信號采集系統設計

信號采集系統主要包栝以下幾部分，低壓電源設計、信號操作電路、信號檢測裝置、電偏置、溫度采集裝置、A/D獲取裝置等。其中：電源部分，采用PC電源，以此減少工頻干擾信號；信號調理通過自己制作電路板來實現I/V信號變換及其信號濾波、放大等功能。微弱信號檢測，利用相敏感檢波電路[5]。電偏置措施是由計算機通過D/A輸送一個電壓到多結太陽能電池一端，來抵消其他子結電池的內部反向偏置電壓。溫度采集模塊采取閉環設計，實時的采集溫度，以此來調節制冷裝置。

3 總結

研究多結太陽能電池光譜響應測試的電路硬件，設計多結太陽能電池光譜響應測試系統電路，檢測微弱信號。性能主要考慮成為電源的電性能， 在搭建整個系統的方案論證中，涉及到的關鍵問題包括：單色激勵光源、光偏置、電偏置的研究與裝置、微弱信號檢測。主要是解決好測試過程中單色光的光譜范圍過窄、紫外單色光強度不夠、信噪比太低和各個P/N結之間的光特性與電特性互相干涉引起誤差等關鍵技術問題。針對多結太陽能電池，進行光譜響應測試研究，提供新的檢測方法。設計對多結太陽能電池短路電流的檢測電路，為得到多結太陽能電池光譜響應曲線奠定了方案基礎。提供了關于單片疊層多結光伏電池光譜響應測試系統的意見。

【參考文獻】

[1]Green Martin A， Emery Keith， King David L， et al. Solar Cell Efficiency Tables（ Version29）[J]. Progress in Photovoltaics： Research And Applications， 2006， （12）： 736-741

[2]機械電子工業部第十八研究所，中國科學院長春應用化學研究所.GB110.09-1989，太陽電池光譜響應測試方法.中國：中華人民共和國機械電子工業部.1990

[3]Lisa Zyga. 40% efficient solar cells to be used for solar electricity [EB/OL].http：//www.physorg.com/news99904887.html， 2007-06-01.

[4]崔容強，陳鳳翔.能源大革命[EB/OL].http：//kxtj.e21.cn/e21web/content.php？acticle_id=1723， 2006-01-07.

[5]Mayer D， Nolay P. Analyze and design methods of Photovoltaic systems. In： Proceedings of the Fifth international E.C.photovoltaic solar energy conference. Italy： Klawer Academis； 1988. p.406-10.