光谱响应测试在太阳能电池中的应用.docx

    光谱响应测试在太阳能电池中的应用    王婷婷1 戴妙妙1 卞志华2 陆 斌1 张 红1（1．上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114； 2．上海工业自动化仪表研究院 上海 200233）Reference：本文首先介绍了光谱响应测试的原理，利用公式推导说明了光谱响应、量子效率和IPCE 这三个概念之间的关系然后通过对比两种不同工艺制备的晶硅电池光谱响应曲线，分析了太阳能电池结构和工艺与光谱响应的关系根据光谱响应曲线积分得到的短路电流密度，评价了两种工艺电池的好坏最后定性的分析了光谱响应曲线各波长区域与制备工艺的关系，说明了光谱响应在提高电池效率过程中的作用Keys：光谱响应；量子效率；光电转换效率；硅晶太阳能电池现今，太阳能行业竞争激烈，不断降低成本、提高光电转换效率是太阳能厂商提高竞争力的必要条件太阳能电池转换效率[1-3]的提高，关键在于制造工艺及材料的改善测量太阳能电池的量子效率[4-6]，可以得到太阳能电池在不同太阳光波长下的光电转换效率，实验人员可依据量子效率的结果快速找到工艺的问题点并加以改善，提升太阳能电池产品的开发速度和生产效率本文将先介绍量子效率的测量原理，然后再探讨量子效率在工艺改善上的具体应用以及延伸到不同材质太阳能电池量子效率的分析方法。

通过测量太阳能电池的量子效率，可以得到电池结构内各层的独立特性，例如减反层、正电极、背电极、PN结、钝化层等，以此作为工艺改进的明确依据，并有效设定工艺改善的方向与目标，大幅提升工艺开发、效率改进的时间与成本，并提高工艺的稳定性因此，测量太阳能电池的量子效率，将能加速实验人员在技术研发上的创新，有助于找寻合适的材料以降低成本，提高最终的转换效率另外，将测量所产出的数据资料建库，可作为产业线上良品率变化时，寻找问题、改善条件的方便工具目前量子效率测试已成为太阳能电池研发和质量检测中不可缺少的重要工具1 光谱响应与量子效率光谱响应(Spectral Responsivity, SR)[7-10]是评价光电探测器件（如光侦测器、光度计、太阳能电池等）光电转换能力的指标，也就是入射光子与电子转换的效率（Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)例如，太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标其中，P(λ )为各波长入射光的能量，以瓦特(Watt)为单位； I (λ ) 为太阳能电池接收到入射光后转换成的电流，以安培(Amp)为单位。

其物理意义为: 太阳能电池接受1瓦特的光能可产生多少安培电流的能力，如图1所示可以看出，光谱响应、入射光的能量和转换的电能均为波长的函数光谱响应 亦可称为量子效率 (QuantumEfficiency, QE)或IPCE将波长为λ 的入射光能量转换成光子数目，而电池产生、传递到外部电路的电流换算成电子数，则光谱响应可表示成每一个入射的光子能够转换成传输到外部电路的电子的能力，称为量子效率，单位以百分比来表示，如图2所示这也可称为入射光子-电子转换效率IPCE光谱响应 与量子效率 的换算可写成下式：其中， q 为电子电量， ? 为普朗克常数，ν 为光子频率，λ 为入射光波长（以nm为单位）改写上式即可得量子效率量子效率反映了太阳能电池对不同波长的光的电转换效率，而太阳能电池转换效率的好坏，受到电池本身材料、工艺、结构等因素影响，使其在不同波长具有不同的转换效率利用量子效率技术来检测，分析电池在不同条件下，所造成转换效率的变化，可以分析工艺的优劣，并找出提高效率的关键因素图3为两种晶硅池A、B经过两种工艺后所测得的光谱响应，由光谱响应结果可以得知A电池的效率较高，主要是因为在700nm-1100 nm波段的转换效率高于B电池，所贡献的短路电流较B电池高0.897 mA/cm2。

但在300nm-500 nm波段，A电池的效率略低于B电池，短路电流密度较B电池低0.675 mA/cm2整体上，[]A电池整体短路电流密度较B电池高了0.222 mA/cm2不同波长的光谱响应结果反映了电池不同层的结构与工艺（这一点将于下节详细介绍），因此，可针对不同波长反映的结果，去改进A 电池在短波长的工艺，以进一步提高A电池的效率由光谱响应的结果，可以比较容易分析出太阳能电池的优劣，并为提升、改善效率指明方向2 光谱响应在硅晶太阳能电池工艺改善上的应用光谱响应曲线反映了太阳能电池各层的特性以晶硅太阳能电池为例，其普遍的工艺是在p型硅片上扩散掺杂制作n层，形成p-n结面，表面再做绒面制成减反射层，降低表面反射，以提高入射的光子效率当太阳光照射到太阳能电池时，光通过的顺序为减反射层，n层，p-n结面，p层，背电极在入射的界面，产生界面反射，不同波长反射的程度不一，通常紫外段与红外波长的反射所造成的损耗较高，而在可见光波段损耗最低抗反射层因材料能隙较大，仅会吸收短波长的光，因此300nm-350nm短波长段通常反映抗反射层的特性波长大于350nm的光陆续穿过n层，p-n结面与p层，因各层厚度不同，所吸收的波长范围依次为350nm-500nm波长(n层)，500 nm -800 nm波长(p-n结面)，800 nm -1100 nm (p层)。

众所周知，p-n结是光电转换的核心区域，p-n结的内建电场可有效的分离吸收光子产生的电子空穴对，所以一般转换效率最高的波段即落在p-n结面的波长范围因此转换效率最高的500nm-800nm波长范围，反映的是p-n结层的特性在350nm-500nm的波长范围，光谱响应曲线随着波长的增加而提升，因为长波长光子的穿透能力更强，更接近p-n结面，因此转换效率提升800nm-1100nm波长穿透到最下层的p层，光谱响应曲线随波长增加而快速递减的原因有两个部分：一是在800nm-1000nm波长区域，波长越长，产生的电子空穴对就越远离p-n结面，需藉由扩散机制到达p-n结面距离p-n结面越远，在扩散到p-n结面前就被复合的概率就较高，所以800nm-1000nm波段的光谱响应随波长递减；二是波长大于1000nm后，入射光能量逐渐小于硅的能隙，入射光无法激发电子空穴对的产生，所以曲线快速下降单晶硅太阳能电池量子效率光谱与波长的关系见图4以图3为例，由光谱响应换算成量子效率可以得到图5所示曲线从图5可以看出，A电池在300nm-500nm效率比B电池低，因此想要进一步提升A电池的效率，应该将抗反射层（300nm-350nm）与n层（350nm-500nm）扩散的工艺作为改进的方向。

同时，B电池需要在背场工艺、背钝化工艺等方向做出改进3 结论本文介绍了光谱响应和量子效率的测量原理，阐述了其在晶硅太阳能电池效率提高上的应用太阳能电池的光谱响应曲线与电池的结构和工艺有关，电池在不同波段转换效率的高低反应了制造工艺的好坏，以及电池结构的合理性根据曲线可有针对性的改善工艺和结构，对提高整个电池的转换效率有很大的帮助Reference[1] Forrest S R. The limits to organic photovoltaic cell efficiency[J].MRS Bulletin, 2005, 30(1): 28-32.[2] Markus G. Device physice of CuIn1-xGaxSe2 solar-cell[D].U. S.A.: Dep. of Physics, Colorado State University, 2005.[3] Shah A V, Meier J, Vallat-Sauvain E et al. Material and solarcell research in microcrystalline silicon[J]. Solar Energy Materialsand Solar Cells, 2003,78: 469-491.[4] Pichler K, Friend R H, Moratti S C et al. Exciton diffusion anddissociation in a poly(p‐phenylenevinylene)/C60 heterojunctionphotovoltaic cell[J]. Applied Physics Letters, 1996, 68(22): 3120-3122.[5] Park S H, Roy A, Beaupré S et al. Bulk heterojunction solar cellswith internal quantum efficiency approaching 100%[J]. NaturePhotonics, 2009, 3, 297-302.[6] Slooff L H, Veenstra S C, Kroon J M et al. Determining theinternal quantum efficiency of highly efficient polymer solar cellsthrough optical modeling[J]. Applied Physics Letters, 2007, 90(14):143506-143506-3.[7] Loferski J J, Wysocki J J. Spectral response of photovoltaiccells[J]. RCA Review, 1961, 22(1):38-55.[8] Busch K W, Busch M A. Multielement detection systems forspectrochemical analysis[M]. New York:Wiley-Interscience, 1990.[9] Pudov A. Impact of secondary barriers on GuIn-1x GaxSe2solar-cell operation [D].U. S. A.: Dep. of Physics, Colorado StateUniversity, 2005.[10] Meusel M, Baur C, Létay G et al. Spectral responsemeasurements of monolithic GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junctionsolar cells: measurement artifacts and their explanation [J].Progress in photovoltaics, 2003,11(8): 499-514.  -全文完-。