浅谈太阳能电池特性参数测量实验中的几点问题

浅谈太阳能电池特性参数测量实验中的几点问题
安立强;解玉鹏;王长昊;王显德;孟凡旭
【摘要】介绍了太阳能电池特性参数的测试原理,探讨了太阳能电池特性参数测试实验过程中需要注意的几点问题.为高校开设与太阳能电池性能测试相关的教学实
验项目,优化实验内容提供参考与帮助.
【期刊名称】《吉林化工学院学报》
【年(卷),期】2017(034)009
【总页数】4页(P54-57)
【关键词】太阳能电池;开路电压;短路电流;填充因子;能量转换效率
【作者】安立强;解玉鹏;王长昊;王显德;孟凡旭
【作者单位】吉林化工学院理学院,吉林吉林132022;吉林化工学院理学院,吉林吉
林132022;吉林化工学院理学院,吉林吉林132022;吉林化工学院理学院,吉林吉林132022;吉林化工学院理学院,吉林吉林132022
【正文语种】中文
【中图分类】O475
人类步入21世纪后，社会生产力飞速发展，而快速发展必然伴随着大量的能源消耗.煤炭、石油等化石燃料的日益枯竭，及燃料燃烧所带来的各种污染与温室气体
排放，促使人们把更多的注意力转向各种清洁可再生能源.太阳能作为一种无污染、取之不尽用之不竭的新能源，近几年在民用领域得到了广泛的开发与利用.其中，
将太阳光辐射能直接转化为电能的器件被称为太阳能电池或光伏电池[1,2].将太阳
能电池特性研究作为一个实验内容，在大学物理实验课程中开设相应的实验题目，既新颖，又具有一定的实用性.一方面，可以使学生在实验过程中对光能-电能转换形成直观的感性认识[3,4]；另一方面，可以替换原有的二极管伏安特性曲线实验，使实验内容更加丰富全面.
然而，在当前时期大学物理实验课程中开设太阳能电池特性测试的实验题目也存在着一些问题：科研型的测试仪器能够保证测试过程的科学性和实验结果的准确性，但是价格昂贵，不适合被当作教学仪器来使用；而市面上针对太阳能电池特性参数测试实验的教学实验仪器结构特点大同小异，也不排除部分高校的大学物理实验室采取自行搭建实验装置的可能，这类实验装置相比而言更为简易，成本较低，但是在测试原理上容易出现纰漏.因此，本文针对太阳能电池特性参数测量实验的实验
过程中容易出现的几点问题进行探讨，希望对从事太阳能电池相关教学和科研的广大师生有所帮助.
太阳能电池按主体材料的不同可以分为很多种，其中单晶硅太阳能电池的技术最为成熟.在无光照条件下，单晶硅太阳能电池和二极管一样，只有在正向偏置电压大
于开启电压时，器件才会有电流产生.而在有光照条件下，光电流与偏置电流方向
相反.通过太阳能电池在有无光照条件下的I-V特性曲线，如图1所示，我们可以
将太阳能电池器件的主要参数总结如下：
1.1 开路电压和短路电流
在光照条件下，太阳能电池处于开路状态(电流值为0)时的输出电压值为开路电压，记作Voc；而太阳能电池处于短路状态(电压值为0)时的电流值为短路电流，记作Isc.这两个特性参数可在器件开路和短路时分别直接测得.
需要补充的是，Voc与Isc相乘所得到的功率值被记作Plim，可以理解为该太阳
能电池输出的极限功率，只能被尽可能逼近，但是无法达到.
1.2 最大功率点与填充因子
如图1中的光电流曲线所示，太阳能电池在某一工作点上输出功率将达到最大，被称为最大功率点，记作Pmax，它等于该工作点处的电流Imax与电压Vmax的乘积.
通常我们希望Pmax的数值能够尽可能接近极限功率Plim，填充因子FF(Fill Factor)就是用来衡量Pmax与Plim之间的差距的，他们之间的关系为：
FF=Pmax/Plim.从图1中不难看出，填充因子就是在描述Pmax对应的矩形面积填充Plim对应的矩形面积的水平.
1.3 串联电阻与并联电阻
太阳能电池的等效电路图如图2所示[5].其中，I为负载电流，U为负载电压，RS 为器件的串联电阻，RSH为器件的并联电阻，IPH为器件的光电流.结合图1和图2，RS在数值上就等于I=0时光电流曲线斜率的倒数；RSH在数值上就等于V=0时光电流曲线斜率的倒数，实验测得太阳能电池的光电流曲线数据后，将其输入计算机，利用Excel或Origin等数据处理软件即可求得[6].
太阳能电池的串联电阻和并联电阻直接影响着填充因子，只有RS尽可能小，RSH 尽可能大的时候，才会获得较高的FF.但是FF不可能等于1，也就是前面所说的，Plim只能被尽可能逼近，但是无法达到.
1.4 能量转换效率
太阳能电池将太阳的辐射能转换成电能的能力用能量转换效率η来衡量，它是太阳能电池输出最大功率Pmax与入射光功率Pin的比值.也是太阳能电池特性参数测量试验最终要测量并计算出的物理量.
1.5 外量子效率
太阳能电池的外量子效率(ηEQE)定义为吸收单个光子后器件外电路最终收集到的电子空穴对数，即二者的比值，它反映了太阳能电池对于各个波长的入射光子的利用程度.具体可以用以下公式来描述：
ηEQE=(Iph/q)/(Popt/hν)
其中，Iph为器件受到波长为λ的单色光照射时测得的光生电流，q为单位电荷量,Popt为入射单色光的光功率，h代表普朗克常数，ν是波长为λ的单色光对应
的光波频率.
如果以波长为横轴，外量子效率为纵轴，则可绘制出太阳能电池器件外量子效率的谱图，该谱图被称为入射单色光子-电子转化效率谱(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，缩写IPCE).将该谱图的数据与标准太阳光光子数分布密度谱图进行乘积并积分，便可准确计算得到太阳能电池器件的短路电流密度，科研上常利用此方法来校准IV测试中短路电流密度的准确性.
太阳能电池器件的IPCE谱图测试系统通常由光源、锁相放大器、斩波器、滤光轮、单色仪、暗箱及配套光路这几部分组成，操作相对繁琐，而且整套仪器设备价格昂贵，通常仅用于科研实验，对于各专业本科学生全面开设此部分试验内容比较难于实现.
2.1 入射光光斑的尺寸
实验过程中，通常入射光光斑的尺寸会比太阳能电池器件的有效面积(真正发生光
电转换的面积区域)大，落在器件外面的一部分光并没有被吸收和利用，按照能量
转换效率的计算方法，计算值会比实际值小.解决这一问题的办法为:必须利用辐照
计测量入射光光斑的功率密度(单位为W/cm2)，而非功率Pin，并将器件的I-V
特性曲线更换为电流密度-电压(J-V)特性曲线，电流密度J即负载电流除以器件的
有效面积.
2.2 入射光光斑的均匀性
实验中所使用的各类光源一般为发散光，且光斑上的光功率密度分布并不均匀.要
保证实验测量数据的准确性，必须固定光源与太阳能电池器件的位置，且保证光源充分预热.而测量入射光功率密度时，辐照计探头表面的位置必须与太阳能电池器
件表面所处的位置相同.
2.3 光源的种类
太阳能电池的能量转换效率，顾名思义，是器件将太阳的辐射能转换成电能的效率.这就会产生一个问题，对于给定的太阳能电池器件，其对入射光的响应范围(可利用的入射光的波长范围)也就固定了，但是实验中所采用的光源与太阳光在光谱上是有差异的，即在不同波长范围内的能量分布不同，如图3所示.所以，在相同的入射光功率下，太阳能电池对于不同光源所产生的短路电流密度会有所不同，计算出来的能量转换效率也会不同[7].此时的能量转换效率应当被称为对于某种光源的能量转换效率.
在科研领域，为了解决这一问题，通常会在光源和器件之间插入一个标准太阳光谱滤镜，使入射光光谱尽可能接近太阳光谱.由于滤镜的价格比较昂贵，在高校大学物理实验课程中大批量引入具有一定的困难，但实验教师在讲授过程中，本着科学严谨的态度，应当说明此问题，防止学生对于太阳能电池能量转换效率这一概念产生误解或迷惑.
本文详细阐述了太阳能电池各个主要特性参数的物理含义及测算方法，并针对太阳能电池能量转换效率测量过程中容易出现的一些问题进行了深入的分析与探究.希望能够对大学物理实验中太阳能电池特性测试实验今后的教学工作有所帮助.
【相关文献】
[1] 刘海清,许飞.太阳能电池简析[J].大学物理实验,2015(1):22-23.
[2] 谢小银,刘冠辰,李祥,等.有机异质结太阳能电池研究进展[J].吉林化工学院学报,2013,30(5):1-4.
[3] 陈建,张月兰,钟菊花,等.太阳能电池特性实验中的计算机辅助测量[J].大学物理实验,2010(2):63-65.
[4] 姜琳.太阳能电池基本特性测定实验[J].大学物理,2005,24(6):52-55.
[5] 高金辉,唐静,贾利锋.太阳能电池参数求解新算法[J].电力系统保护与控制,2014,40(9):133-136.
[6] 程文德,张启义,孙宝光.硅太阳能电池负载特性及Origin软件处理数据的应用研究[J].大学物理实
验,2015(4):60-62.
[7] 吴杏华,王庆凯,王殿元.光源对于太阳能电池基本特性测量实验影响的研究[J].九江学院学报,2007(6):66-68.。