單色光波長對硅晶太陽能電池特性的影響

田婷，歐修龍，顧倪菲，徐耕晨

（漢江師范學院 新型功能材料制備與物性研究中心，湖北 十堰 442000）

近年來，化石能源等傳統(tǒng)能源遭到了大肆開采挖掘，能源短缺和環(huán)境問題變得日益嚴重[1].為了響應國家可持續(xù)發(fā)展政策的號召，人們將目光投向太陽能、風能、生物能等其他可再生能源.其中太陽能有著分布范圍廣、采集使用方便且污染性小的特點，能夠解決傳統(tǒng)能源短缺的壓力[2-5].國家非常重視對其進行開發(fā)和利用，因此太陽能開發(fā)與使用技術(shù)成為研究的熱門課題.

硅晶太陽能電池轉(zhuǎn)化效率約為22%，其優(yōu)點是壽命長、透光性好且成本低；薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)化效率也能達到20%以上，但很多屬于稀有金屬，導致成本高，另外有些金屬有毒，如Cd，As 不適合大量加工生產(chǎn)；染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)化效率低，一般在13%左右；鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率也在24%左右，但其穩(wěn)定性差.因此，硅晶太陽能電池有一定的研究價值.20 世紀80 年代以來，國外一些國家斥巨資研究多晶硅太陽能電池，使其發(fā)展迅速.2018 年上半年，我國單晶硅電池片產(chǎn)量增加明顯，單晶硅片占硅片產(chǎn)量的52.7%；單晶電池片占電池片產(chǎn)量的41%.與2017 年相比，我國單晶硅片和電池片產(chǎn)量分別提高了41.2%和21.2%[6].硅晶太陽能電池在我國太陽能電池行業(yè)中有著舉足輕重的地位，研究硅晶太陽能電池有重要的現(xiàn)實意義.

太陽光在不同緯度所產(chǎn)生的光照強度不同，通過太陽能電池的波長也不同，繼而其轉(zhuǎn)化效率也發(fā)生了相應的改變.我國科學家在這一方面做了大量研究，邵國鍵[7]為了提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，利用光譜轉(zhuǎn)換效應將波長較短的光子轉(zhuǎn)化為波長較長的光子，這一舉措取得了顯著效果.田冰濤[8]等利用自制的太陽能電池特性測試裝置和不同顏色的濾光片探究不同波長的光對太陽能電池功率的影響，研究結(jié)果表明，當波長較長的光照射時，硅晶太陽能電池片的功率相對較高；而在光譜波長較短的范圍內(nèi)，硅晶太陽能電池片功率相對較低.王威[9]等為了提高硅太陽能電池的效率，采用恒定功率的白熾燈為光源，經(jīng)過不同濾光片后得到不同波長的光，測定了在不同波長入射光照射下硅太陽能電池表征參數(shù)的變化，結(jié)果表明，隨入射光波長的增大，硅太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率和填充因子都逐漸增大.雖然這些研究團隊針對波長對太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的影響做了大量的研究，但只得出波長越長轉(zhuǎn)化效率越高的結(jié)論，沒有討論太陽能電池最高轉(zhuǎn)化效率對應的波長范圍.

本文以單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池為研究對象，測量太陽光波長對單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的開路電壓、短路電流的影響，研究波長與相對光譜靈敏度的關(guān)系，找出太陽光波長對3 種硅晶太陽能電池表征參數(shù)的影響.

1 實驗部分

1.1 實驗設備

本實驗采用太陽能光伏實驗設備（見圖1），主要包括氙燈電源、測試主機、USB 集成器及通信線、電池片測試件以及濾光鏡片.由于氙燈光譜分布與太陽光光譜接近，波長散射范圍為300～1 100 nm，符合實驗所需的單一散射波長，因此，實驗中利用氙燈模擬太陽光，凸透鏡匯聚光線，增大光強，通過更換不同波長的濾光片獲得單色光測量相應參數(shù)值.

圖1 儀器示意圖

1.2 太陽能電池發(fā)電原理

目前，太陽能電池是我國太陽能資源綜合利用過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心材料是半導體.從宏觀電學性質(zhì)上講，半導體材料的導電性能介于導體和絕緣體兩者之間，其導帶和價帶之間的禁帶寬度通常小于3 eV，溫度、光照等多種影響因素都可以使價帶中的電子向?qū)кS遷，在導帶和價帶中形成電子-空穴對，從而改變材料的電學特征.半導體材料電子元件的核心結(jié)構(gòu)通常是PN 結(jié)，簡單來說，PN 結(jié)就是P 型半導體和N 型半導體接觸后所形成的一個基礎區(qū)域.P 型半導體和N 型半導體內(nèi)空穴的數(shù)量和自由電子的數(shù)量大不相同，前者內(nèi)部有著相當數(shù)量的空穴，沒有自由電子，而后者內(nèi)部有大量的自由電子，幾乎沒有空穴，2 種半導體結(jié)合在一起時N 區(qū)的電子和P 區(qū)的空穴相互擴散形成PN 結(jié)，在PN 結(jié)附近形成空間電荷區(qū)和勢壘電場（見圖2）.

圖2 PN 結(jié)內(nèi)電場分布

當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴被勢壘電場推向N 區(qū)和P 區(qū)，使N 區(qū)有過量的電子而帶負電，P 區(qū)有過量的空穴而帶正電，外接負載時會產(chǎn)生電流和電壓，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應[10-12].

1.3 波長對太陽能電池的影響

太陽能電池對不同波段入射光的敏感程度稱為光譜靈敏度.能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子-空穴對，而光子能量的大小與光的波長有關(guān)[13-14].

一般來說，太陽能電池的光生電流IL正比于光源的輻射功率φ（λ）.太陽能電池的絕對光譜響應R（λ）定義為

式中：I（λ）為入射光波長為λ時太陽能電池輸出的短路電流；φ（λ）為入射光波長為λ時太陽能電池上的輻射功率.

如果光探測器（經(jīng)過標定）在某一特定波長λ處的光譜響應是R′（λ）、短路電流為I′（λ），那么在輻射功率φ（λ）相同時測量太陽能電池輸出電流I（λ），則

由式（2）可知

式中：R′（λ）為標準光強探測器的相對光譜響應；I′（λ）為光強探測器在給定的輻照度下的短路電流；I（λ）為待測太陽電池片在相同輻照度下的短路電流.相對光譜響應等于絕對光譜響應除以絕對光譜響應的最大值.

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 硅晶太陽能電池的暗特性

通常把無光照或光照為零的情況下太陽能電池的電流-電壓特性叫作暗特性.無光照條件下，太陽能電池電流電壓關(guān)系滿足肖克萊方程[15]

式中：q為電子電荷的絕對值；k0為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；IS為反向飽和電流（暗電流）.

式中：JS為反向飽和電流密度；A為結(jié)面積；DN，DP分別為電子和空穴的擴散系數(shù)；為P 區(qū)平衡少數(shù)載流子電子的濃度；PN0為N 區(qū)平衡少數(shù)載流子空穴的濃度；LN，LP分別為電子和空穴的擴散長度.

暗電流是區(qū)分二極管的一個極其重要的參量，一般情況下暗電流非常小.實驗時，將溫度設置在0，10，20，30，40 ℃，測量3 種硅晶太陽能電池的正向電流和反向電流，得到不同溫度下暗電流特性曲線（見圖3～5）.

由圖3～5 的曲線可知，3 種硅晶太陽能電池片在不同溫度下的暗特性曲線變化趨勢相同.隨著溫度升高，正向曲線左移，即正向電流隨著溫度的升高而增大，即溫度升高，硅材料PN結(jié)在較低電壓下就可以導通，這與PN 結(jié)隨溫度的變化趨勢相同.

圖3 不同溫度下單晶硅太陽能電池片的暗電流特征曲線

圖4 不同溫度下多晶硅太陽能電池片的暗電流特征曲線

圖5 不同溫度下非晶硅太陽能電池片的暗電流特性曲線

2.2 硅晶太陽能電池相對光譜靈敏度

同一硅晶太陽能電池與不同光源匹配效果不同，不同硅晶太陽能電池與不同光源匹配效果也不甚相同.例如：有的太陽能電池在太陽光照射下利用率較高，但在熒光燈這樣的昏暗光源下轉(zhuǎn)換效率就很低，幾乎為零.據(jù)研究表明，光強和光譜等多種因素不同會導致太陽能電池輸出發(fā)生變化.一般來說，目前單晶硅電池的響應光譜在400～1 100 nm之間，相應強度從400～950 nm遞增，通常光譜響應的最大靈敏度在950 nm，而繼續(xù)增大波長其響應程度會遞減.

將溫度控制在40 ℃，氙燈光源設定在1 249.48 W/m2.加載不同濾光片，放入光強檢測器，測量透過濾光片后光強探測器產(chǎn)生的電流I′（λ）.取出光強探測器，分別放入3種太陽能電池片，測量加載濾光片后3種硅晶電池片的短路電流I（λ），繪制3種太陽能電池片的相對光譜響應曲線（見圖6）.

由圖6可知，單晶硅和多晶硅太陽能電池片的光譜靈敏度曲線幾乎重合，從可見光到近紅外光，尤其在近紅外光范圍內(nèi)靈敏度很高，對900 nm左右波長的光最靈敏，即這2種電池片在這個波長附近的轉(zhuǎn)化效率最高.在770 nm附近有點失真，認為其可能原因是電池片的封裝材料在此波長附近吸收的較多，導致光譜曲線在這一點有點下凹.

圖6 3 種硅晶太陽能電池片的相對光譜靈敏度

非晶硅太陽能電池片的光譜靈敏度曲線與單晶硅和多晶硅有些不同，其光譜范圍相對較窄，只在可見光范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生電子-空穴對，這可能與非晶硅的結(jié)構(gòu)有關(guān)（在P型和N型半導體之間有一層本征層，導致禁帶寬度增加），且在570 nm左右相對光譜靈敏度值最高，即轉(zhuǎn)化效率最高.

2.3 入射光波長對開路電壓和短路電流的影響

開路電壓是太陽能電池在兩端開路時輸出電壓值，短路電流是太陽能電池輸出端短路時流過兩端的電流.開路電壓與短路電流同為測量太陽能電池的使用性能及其轉(zhuǎn)化效率的重要參數(shù).實驗時打開氙燈，通過更換濾光片獲得8 種單色光，波長分別為395，490，570，665，760，865，950，1 035 nm，分別測定3種硅晶太陽能電池片在8 種單色光照射下的開路電壓和短路電流，得出開路電壓與短路電流隨入射光波長變化的曲線（見圖7～8）.

圖7 3 種硅晶太陽能電池開路電壓與光譜波長曲線關(guān)系

圖8 3 種硅晶太陽能電池短路電流與光譜波長曲線關(guān)系

由圖7～8 可知，單晶硅和多晶硅太陽能電池片的開路電壓和短路電流的變化趨勢相同，當光譜波長處于900 nm 左右，即相對光譜靈敏度值最大時，單晶硅太陽能電池片的開路電壓和短路電流均取得最大值；當光譜波長在570 nm 左右，即非晶硅相對光譜靈敏度值最大處時，其開路電壓和短路電流取得最大值.實驗表明，當3 種硅晶太陽能電池片的相對光譜靈敏度值最大時，其開路電壓和短路電流也位于最大值處.

3 結(jié)論

本文討論了入射光波長對單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的開路電壓、短路電流和光譜靈敏度等參數(shù)的影響.實驗結(jié)果表明，入射光波長在900 nm 左右時，單晶硅太陽能電池片的開路電壓和短路電流最大，對太陽光的靈敏度也最高，入射光波長小于900 nm 時，2種太陽能電池片的光譜靈敏度隨入射光波長的增加而增大，入射光波長大于900 nm 后，2種太陽能電池片的光譜靈敏度隨光譜波長的增大而減小；當入射光波長在570 nm 左右時，非晶硅太陽能電池的相對靈敏度值最大，此時的太陽光利用率最高，同時非晶硅的開路電壓和短路電流也取得最大.