PN结太阳能电池光生伏特效应光谱特性及太阳能电池综合参数测试

研究生《电子技术综合实验》课程报告题目：PN 结太阳能电池光生伏特效应光谱特性及太阳能电池综合参数测试学号姓名专业指导教师院（系、所）年月日一、实验内容：测量电池光生伏特效应的光谱特性并分析影响光伏效应的种种因素。

测试AM1.5、稍小光强下的自制电池的I-V特性以及暗特性；完成实验并计算6个重要参数；并分析讨论实验现象。

二、实验仪器：分光光度计7520型、恒温样品台、I-V测试仪、函数记录仪三、太阳能电池材料及结构：1.太阳能电池材料种类太阳电池的材料种类繁多，可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa（1-x）Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料等。

第一代太阳能电池发展最长久，技术也最成熟。

种类可分为单晶硅（Monocrystalline Silicon）、多晶硅（Polycrystalline Silicon）、非晶硅（Amorphous Silicon）。

以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗，也因应不同设计的需求需要用到不同材料（例：对光波长的吸收、成本、面积......等等）。

第二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池，种类可分为碲化镉（Cadmium Telluride CdTe）、铜铟硒化物（Copper Indium Selenide CIS）、铜铟镓硒化物（Copper Indium Gallium Selenide CIGS）、砷化镓。

第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。

种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。

第四代则针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。

某种电池制造技术，并非仅能制造一种类型的电池，例如在多晶硅制程，既可制造出硅晶版类型，也可以制造薄膜类型。

2.太阳能电池的基本结构光生伏特效应简称光伏效应，它是半导体PN结的基本光学性质之一。

光伏效应不仅存在于PN结中，而且还存在于所有含有内建电势的两种固体材料的界面中。

如金属-半导体接触的肖特基势垒也有此效应。

对于浅结二极管，当光线垂直于结面照射时，光子进入半导体内，能量大于半导体禁带宽度的光子因本征吸收而产生电子-空穴对（见图1c）。

势垒区外一个扩散长度内的光生少子受PN结内建电场的作用均被扫到对边，在n区和p区分别形成电子和空穴的积累，产生一光生电动势。

此光生电动势又给PN结以正向偏压，使PN结的势垒降低。

于是，在PN结内部，既有由n区流向p区的光生电流I L，又有与I L方向相反的正向电流I F。

在稳定光照下，开路的PN结内I L=I F，，形成稳定的光生电压V OC。

短路情况下，I F=0，光生电流I L 全部流经外电路。

这种由内建电场引起的光电效应称为光生伏特效应。

太阳电池就是这种效应最直接的应用。

太阳电池基本上就是一个大面积的PN结。

N+P太阳电池的基本结构如图1所示。

N+扩散层为顶区，P型硅衬底为基区，PN结两边的耗尽层为势垒区。

实验中使用的是一块面积2×2cm2的太阳能电池板，PN结中N+表面有一层减反膜，膜表面有一层栅型金属电极，P表面覆盖一层金属电极（形成欧姆接触）。

利用栅型电极增加光注入，减反射膜减少硅表面光反射损失。

由于太阳光在高能区(波长0.4至0.8微米范围内)存在强辐照，所以设计为浅结Pn结可提高电池高能光谱效应。

在这种结构下，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n 结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。

图1 太阳能电池基本结构3.太阳能电池等效电路(a) (b)图2 (a)理想光电池等效电路(b)太阳能电池的实际等效电路图2(a)是利用PN结光生伏特效应做成的理想光电池的等效电路图，图中把光照下的p-n结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流I L，R L为外负载。

这个等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流I L，其中一部分用来抵消结电流Ij，另一部分即为供给负载的电流I R。

其端电压V、结电流I以及工作电流I的大小都与负载电阻R有关，但负载电阻并不是唯一的决定因素。

而实际的太阳能电池，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。

流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。

在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻R S来表示。

由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻R SH来等效。

则实际的光电池的等效电路如图2(b)所示。

p-n结光生伏特效应最主要的应用是作为太阳能电池。

太阳辐射的光能有一个光谱分布，禁带宽度越窄的半导体，可以利用的光谱越广。

但是，禁带宽度E g太小的话相应能产生的光电动势又会比较小。

反之，E g大的半导体，虽然V OC可以提高，但可以利用的太阳光谱范围就会比较小。

也就是说，开路电压V oc 随E g的增大而增大，但另一方面，短路电流密度J SC随E g的增大而减小。

结果是可期望在某一个确定的g 处出现太阳能电池效率的峰值。

四、太阳能电池光谱响应半导体GaAs和Si对各种不同波长λ的光的吸收系数а有图3所示的分布。

而只有势垒区两侧一个扩散长度范围内光产生的电子-空穴对才可以被电极收集形成光电流，谱响应范围：400-1000nm。

输出特性：V oc随光强增加很快趋于饱和，与面积无关。

Isc与光强和光照面积成正比。

图3 半导体GaAs和Si对各种不同波长λ的光的吸收系数α太阳光谱中，不同波长的光具有的能量是不同的，所含的光子的数目也是不同的。

因此，太阳能电池接受光照射所产生的光子数目也就不同。

为反映太阳能电池的这一特性，引入了光谱响应这一参量。

太阳电池的光谱响应又分为等量子光谱响应和等能量光谱响应。

表示一定波长的入射光子所能产生并被收集的电子数为等量子光谱响应，。

表示单位能量某一波长的光照到电池上所产生的光电流强度为等能量光谱响应，。

这样我们得到光电流密度为: 其中I0(λ) 是阳光中波长为λ,带宽为dλ的入射光子数。

从以上两式可以得到电池光电流是由太阳光谱分布和电池光谱的响应两大因素决定的。

独立于太阳光谱外的电池光谱响应，是电池自身所有影响光生非子产生和收集的诸因素的概括。

这些因素的定量分析，必须依赖单色光电流的理论描述，通过连续性方程可求解。

在给定波长下，单位光谱带宽的电池光电流由三部分组成：N区少子空穴电流、P区少子电子电流、势垒区光产生非子电流。

从表达式中可以看到光电池单色光电流响应是其材料参数（禁带宽度，扩散系数，寿命，电阻率，吸收系数）。

五、负载I-V特性1.电池伏-安特性(a)电池的光特性和暗特性(b)补偿法测得的电池光特性图4 太阳能电池伏安特性曲线负载特性就是太阳电池在外接负载情况下的伏安特性。

它能全面反映电池的PN结特性及欧姆接触电阻等分布参数，是电池最主要的特性。

它的测量能给出电池最大输出功率、光电转换效率、电池串联电阻以及PN结的特性参数。

负载电流，其中，A是PN结质量因子；当R=0时，V=0，IF=0，得ISC=IL；当R=时，I=0，IF=IL=ISC，电池开路，此时得到开路电压2.补偿法原理负载特性测量有直接法和补偿法。

因直接法不能实现开路状态，也达不到短路效果，而补偿法能测得完整的负载特性曲线，且补偿法还有助于深入理解太阳电池的工作机理，还可以进行暗特性的测量，所以我们选择补偿法进行测量。

太阳电池在光照下的伏安特性称为光伏安特性，无光照时的伏安特性称为暗伏安特性，图4（a）给出了这两种伏安特性的曲线。

电池光伏安特性曲线是电池光生电流随电压变化的曲线。

因为光电流与正向电流方向相反，所以对光生电流而言，电流轴要反过来，如图4（b）所示。

补偿法是基于电池负载特性分析所引出的方法。

理想电池相当于一个电流为I L的恒流源与一只正向二极管的并联。

图5 直接法测电池负载特性(a)直接法电路图；(b)直接法测得负载特性图6 补偿法线路图补偿法的测试电路如图6所示,它实际上就是两个阻值相同的电阻r串联后与电位器的总电阻R’及稳压电源E并联，然后由电位器的滑动臂和两个电阻r的连接点引出一个支路，与电池、取样电阻(R)一起构成一个形如惠斯顿电桥的电路。

其电池、取样电阻支路就等同于惠斯顿电桥的检流计支路，所不同的是, 这个支路带有象征直流电源的光电池。

我们把图4中的电池和取样电阻支路断开后, 从a,b两个端点看进去（图中虚线部分），它是一个由线性元件构成的有源二端网络。

根据戴维南定理，它可以由一个等效电压源代替。

等效电压源的电动势等于有源二端网络的开路电压，其内阻等于电源E短路时的等效电阻。

当a处于中间位置时，V ab=0，电池取样电阻支路I=0，V=V OC；当V a>V b，电池支路正偏，I=I L-I F<0，I-V曲线进入第四象限；当V a<V b，电池支路反偏，I=I L-I F逐渐增大，当V ab的反向电压刚好等于取样电阻R上的电压时，PN结零偏。

I F=0，I= I F=I SC，称为短路电流；当V ab进一步变负，PN结负偏，I-V曲线进入第二象限。

所以，通过改变pn结偏压，能够测得完整的负载特性曲线，而且还可以进行暗特性的测量。

六、系统原理1.光谱响应系统原理电池的电流光谱响应测量系统由光源、分光光度计和微安表组成（如图7）。

分光光度计含有两种光源（钨灯和氘灯），它能提供波长从195nm到1000nm的单色光，并可根据需要切换氘灯和钨灯。

在钨灯光源下，不同波长、不同狭缝下的单色光能量，事先已用光能量计测量好，并且已制成表格供实验者用。

微安表用来读取电池单色光短路电流。

分光光度计中的单色仪是利用分光棱镜的色散作用，把复色光分解成单色光，通过波长鼓轮的旋转，带动分光棱镜转动，使经过分光所得到的一组色带在出射狭缝平面上移动。

对应于鼓轮一定的转角，便使得相应波长的那部分准单色光射出狭缝，落到太阳电池的表面，提供给测试者使用。

图7 直流法测量太阳能电池光谱响应系统简图2.太阳能电池测试系统补偿法的实验电路如图8所示。

这一电路是为全面测量电池的光、暗特性而设计的，同时为了比较，还附加了直接法测量电路。

所有这些特性曲线均可用记录仪记录。

其电压值由直流数字电压表读取，电流值由毫安表测得的短路电流ISC定标。

实验的主要设备有：a.样品台及温控系统b.测试控制仪c．模拟太阳光(钨灯)及稳压电流d．DC稳压电流及数字电压表e．函数记录仪（X接电压，Y接电流）。

图8 太阳电池I-V特性测试实验电路图实验过程中采用模拟太阳光，这里采用经0.3~0.5%硫酸铜水溶液滤去部分红外光的碘钨灯光源，其光谱曲线如图9所示。