《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-3

IT ,AM 1.5 iT ,AM 1.5 ( )d,
I S,AM 1.5 iS,AM 1.5 ( )d
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配误差计算
B(λ)-1定义为光谱，表示太阳模拟器光谱辐照度esim(λ)和 AM1.5的光谱辐照度eAM1.5(λ)的相对偏差.
esim ( ) eAM 1.5 ( ) B( ) 1
eAM 1.5
即:
B() esim () eAM 1.5 ( )
模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳光光谱，或选用和被测量电池 光谱响应基本相同的标准太阳电池。
两种特殊情况下光谱失配误差消失：一种是太阳模拟器光谱和标 准太阳光谱完全一致；另一种是被测太阳电池的光谱响应和标准 太阳电池的光谱响应完全一致。这两种情况都难以严格实现，后 一种更难实现，因为待测电池是多种多样的。
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
太阳常数
把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，可计算得到地球大气层外 接收的太阳辐照度（太阳常数）为：
Ps (5760 K ) 1359 W / m 2
实测值：1353 W/m2
太阳辐射透过大气层到地面的情况有两种 直接辐射：由太阳直射到地面，中途不改变方向 间接辐射：是经过大气吸收，散射或经地面反射而改变方
头顶上方
AM0 AM1
AM1.5

大气层
Earth
太阳仰角 90° 60° 48.2° 30° 14.5° 8.3° 5.7°
大气质量 AM1.0 AM1.2 AM1.5 AM2.0 AM4.0 AM7.0 AM10
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
光谱辐照度(Wm-2m-1)
AM0的辐射光谱分布不同 6000K黑体 于理想黑体的光谱分布。
10 200 300 390 455 492 577 597 622 760 5x103 6x103 4x104 106
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
几个重要名词
辐照度：通常称为“光强”，单位面积上接收电磁波辐射的功 率。常用P表示，单位为W/m2或mW/cm2
光谱辐照度：由波长λ处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照 度，W·m-2·m-1 。
造成衰减的原因：
1. 瑞利散射或大气中的分子引起的散 射。
2. 悬浮微粒和灰尘引起的散射。 3. 大气及其组成气体，特别是氧气、
臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
通过模拟太阳灯光照射到电池片表面， 测试太阳电池电流-电压特性曲线，同 时测定入射光辐照度以计算电池效率。 在标准光强下，测得太阳电池的IV 曲线，进而得出该电池的各项参数， 开路电压，短路电流，填充因子， 转换效率。
表面温度：5760-6000K 中心温度：1.5×107 K 日冕层温度：5×106 K 质量：1.989×1030 kg 太阳每秒释放的能量：3.865×1026 J，相 当于每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量
太阳的能量来源：太阳中心的热核反应！
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。光是一种电磁 波，在空间传播的光能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做光子。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
测试条件
地面用太阳能电池国际标准：测试温度25±2oC,光源的光谱 辐照度1000W/m2,并具有标准的AM1.5太阳光谱辐照度分布。
航天用太阳能电池国际标准：测试温度25±1oC,光源的光谱 辐照度 1367W/m2,并具有标准的AM0太阳光谱辐照度分布。
在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的 路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱， 简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19°，原因 是这种情况在地面上比较有代表性。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
模拟器光源
电光源 卤光灯
冷光灯
氙灯
脉冲氙 灯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
结构
卤光灯 加水膜
卤钨灯 加介质 膜
氙灯加 滤光片
脉冲氙 灯
特征
缺点
光谱和日光差别大， 3cm水膜滤除部分 红外线含量大，紫外 红外线，无法补充 线含量少，色温2300K，紫外线
反射镜对红外线透明， 其他光线反射，色温 灯寿命短，50H 3400K
AM0辐射
斯特潘玻尔兹曼定律
把太阳辐射看做5760K的黑体辐射，由 Psun_surf sTs4 得太阳表面的辐照度
AM1.5辐射
波长 (m)
Psun_surf 63.2MW / m 2
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
影响地球表面太阳辐射的各种因素
大气的组成可以分为三个部分：一是固定气体，包括氮、氧、 氩、氪、氢、氖、氦等气体；二是变动气体，包括水蒸气、二 氧化碳、臭氧等；三是固体尘埃，如烟、尘、微生物、花粉一 类的有机物、放射性微粒等。阳光穿过地球大气层时，至少衰 减了30％。
为了减少这种误差，需选用具有与被测电池基本相同光谱响应的标准太 阳能电池来测量光源的辐照度。为保证标准太阳电池与被测太阳电池具 有基本相同的光谱响应特性，所选的用作池必须与被测太阳具有相同的 材料，有相同的电池结构并用相同的工艺条件制作。
对于新研制的太阳电池，由于其性能与工艺尚未稳定和定性，有时可选 用其他稳定的太阳能电池， 用适当的方法（如滤光片）使其光谱响应与 被测电池基本一致，亦可作为标准电池。例如：有机电池，钙钛矿电池 等新型太阳能电池，一般采用KG-5滤光的Si电池作为标准电池进行太阳 光谱的校准。
第四章 太阳电池基础
43.1 光生伏特效应 4.2 光生载流子的浓度和电流 43.3 太阳电池的伏安特性 4.4 太阳电池的性能表征 4.5 太阳电池的测试技术 4.6 太阳电池的效率分析
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
黑体：能完全吸收辐射到它上面的各种频率 电磁波而无反射的物体，黑体发出的辐射仅 与本身的温度T有关。
光谱响应是指一定能量的单色光照 到光电池上，产生的光生载流子被 收集后形成的光生电流的大小。光
谱响应分为等能量光谱响应S()
（Spectral response）和等量子
光谱响应QE(Quantum efficiency)
FT ,AM1.5 ()
iT ,AM 1.5 ( ) iT ,AM 1.5 ( )
iT ,AM 1.5 ()d
I T ,AM 1.5
FS,AM1.5 ()
i S,AM 1.5( ) iS,AM 1.5 ( )
iS,AM1.5 ( )d
I S ,AM 1.5
() qA 2 EQE()Q()
sc
1
ܳሺߣሻ 为入射光子流谱密度，A为电池面积；q为电荷电量
内量子效率：吸收光子被转换的几率。
IQE() EQE() EQE() Abs 1 R() T ()
太阳能电池外量子效率，有时也 被叫做IPCE，也就是太阳能电池 光电转换效率(Incident-Photon-
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配误差计算
光谱失配误差= 0 FT ,AM1.5 () FS,AM1.5 () B() 1 d
(3.3.1)
式 (3.3.1)中：FT ,AM 1.5 () FS,AM 1.5 ( )
分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电 流i(λ)与短路电流I之比：
光谱接近日光，但红 外线多些，用滤光片 滤掉
光斑不均匀，电路 复杂，价格贵，光 学积分设备复杂， 有效面积难做大
短时间光强强，光谱 特征比稳态氙灯好， 可得大面积均匀光斑
备注 简易型
简易型
精密太阳 能模拟器
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
辐照不均匀度的检测
不同点的辐照度而言 辐照不均匀度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度
4.5 太阳能电池测试-量子效率
外量子效率：指入射光照射到光电器件上时，器件内产生的光生载
流子的对数与入射的光子数目的比值。它是一个小于1的无量纲数。 又分为外量子效率和内量子效率。对整个入射太阳光谱，每个波长 为 的入射光子对外电路提供一个电子的概率。
I I ()
EQE() sc qAQ( )
为了改善光谱匹配，最好的方法是设计光谱分布和标准太阳光谱 非常接近的精密型太阳模拟器。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
多结电池的I-V测试
需要使用不同波段可独立调节的多光源模拟器，尽可 能减小失配。
由于单光源模拟器的光源分布与实际应用时的太阳光 谱分布存在很大的差别，因此用单光源模拟器已经不 能准确测试多结叠层电池的I-V特性曲线。利用各个 子电池的标准电池对多光源模拟器的响应波段进行反 复调节，使各子电池的标准电池达到其标准值。
10-9
10-6
10-3
光
1
103
106
109
nm
m
mm
m
波长 / m
宇宙射线
X
紫
射线 射线 外
红 外
线
线
有荧光效应、 化学效应能， 能辨比细小差 别，消毒杀菌
极 远 远 近紫 蓝
可 见 光
绿 黄橙
微波
无线电波
热效应强， 可加热，一 切有温度的 物体都能发 射红外线
红 近中远
极
远 波长 / nm
＋最小辐照度）×100％
辐照不稳定度的检测
测试平面上同一点的辐照度随时间改变时： 辐照不稳定度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度
＋最小辐照度）
光谱失配
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配
模拟器产生光谱与AM1.5G的差异
标准太阳电池用于校准测试 光源的辐射照度
模拟阳光的辐照度只能用标准太阳电池来校准，不采用其他辐射 测量仪表。
标准太阳电池的类型：一级标准太阳电池：以与标准世界辐射计基准相一致的 辐射计或标准检测器为基准标定的标准太阳电池。二级标准太阳电池
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
光谱失配——光谱校准和标准电池的选取
不能选用光幅度计简单测试光强，光谱必须考虑。 由于太阳电池的响应 与入射光的波长有关，入射光的光谱分布将严重影响所测电池的响应。 如果采用对光谱无选择性的辐射计来测量太阳测量辐照度，由于光谱分 布的改变，会给测量的转换效率带来百分之几的误差。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
太阳模拟器分类
稳态太阳模拟器、脉冲式太阳模拟器
类型 定义
优点
缺点
适合
稳态 工作时输出的辐 连续照射、稳定、光学、供电系 制造小面积
照度稳定不变 标准太阳光
统复杂庞大 太阳模拟器
脉冲 毫秒量级脉冲发 瞬间功率大 光
采集系统复杂 大面积测量
太阳光模拟器主机主要 有：1000W氙灯光源、反 射镜、光学积分器、快 门、AM1.5滤波片、准直 透镜等几部分组成。
4.5 太阳能电池测试-伏安特性曲线
调节太阳光强度，分析太阳能电池在不同光强下的各个参数的变化情况，分析器件 复合机制，进一步提高器件的性能。
利用Voc与光强关系，获 得理想因子，研究电池 复合机制等
4.5 太阳能电池测试-量子效率
Why QE ？
测量结果与光源光谱分布无关，可信度高 反映光电池对各波长入射光的响应情况 能分别测量多结电池各子结的光谱响应
to-electron Conversion Efficiency)
4.5 太阳能电池测试-量子效率
光谱响应、量子效率
光谱响应被定义为：S(λ)=I(λ)/P(λ) 其中I为光电流，A/m2，P为单色光能量，W/m2
S() q EQE()
hc
S EQE () q
ref
hc
()
ref
I dP d
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
在地球大气层之外，地球—-太阳平均距离处，垂直于太阳 光方向的单位面积上的辐射功率基本上为一常数，太阳光 谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，这个辐射强度称为太 阳常数，或称此辐射为大气光学质量为零（AM0）的辐射。
太阳常数 1.353kW/m2
向的辐射 直接辐射和间接辐射之和称为太阳总辐射量
4.5 太阳电池的测试技术-太阳辐射
大气质量的定义
太阳在头顶正上方时，大气光学质量 为1，这时的辐射称为大气光学质量1 （AM1）的辐射
当太阳和头顶正上方成一个角度θ时， 大气光学质量为：
AM=1/cosθ
在无法知道θ值的情况下，如何 估典算型大的气地光球学---质太量阳A仰M？角的对应关系