多結(jié)太陽電池量子效率測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉磊，張鎖良，馬亞坤，王永青

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

多結(jié)太陽電池量子效率測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉磊，張鎖良，馬亞坤，王永青

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

為滿足多結(jié)太陽電池各子電池量子效率的測量，搭建了一套帶有偏置光與偏置電壓的量子效率測試系統(tǒng).在闡述了多結(jié)太陽電池量子效率測試的原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并采用Visual Basic語言成功開發(fā)了測試系統(tǒng)的控制軟件.特別討論了偏置光與偏置電壓的應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)電池的選擇，最后利用該系統(tǒng)成功地測試了GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)太陽電池的量子效率，光譜響應(yīng)為0.3 ～1.88 μm.

量子效率；多結(jié)太陽電池；偏置電壓；偏置光

當(dāng)前全球能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源面臨枯竭，因而近年來以太陽能發(fā)電技術(shù)為代表的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn).以薄膜電池、多結(jié)聚光電池、染料敏化太陽電池為代表的新一代陸用光伏電池的轉(zhuǎn)化效率不斷取得突破，尤其是Ⅲ-Ⅵ族多結(jié)聚太陽電池在364倍標(biāo)準(zhǔn)太陽條件下的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到41.6%[1].與快速發(fā)展的光伏電池相比，光伏電池的計量與檢測技術(shù)卻發(fā)展緩慢，尤其是對于多結(jié)電池的量子效率的測試，目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且國內(nèi)沒有完善的測試設(shè)備.針對這一情況，本文在詳細(xì)分析了Ⅲ-Ⅵ族多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)了一套用于多結(jié)光伏器件的單光路量子效率測試系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)原理，硬件組成，光源的選擇，與偏置電壓的設(shè)置等問題.最后利用搭建的單光路量子效率測試系統(tǒng)對GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)太陽電池進(jìn)行了測試.

1 多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)

多結(jié)光伏電池不同于簡單的單結(jié)電池，是由2個或2個以上的子電池串聯(lián)連接而成，各子電池之間則以隧道結(jié)連接.各子電池按禁帶寬度由上而下減小的順序排列，以便于各子電池分別吸收太陽光譜中不同波長的輻射，進(jìn)而達(dá)到充分利用陽光的目的.如圖1 a為GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖，由GaInP，GaAs和Ge 3個子電池通過隧道結(jié)串聯(lián)而成.各子電池的禁帶寬度分別為1.86，1.42 和 0.66 eV， 對應(yīng)的吸收截止波長為0.667，0.871和1.879 μm，如圖1 b所示.實際上，多結(jié)電池就是由隧道結(jié)連接的多個pn結(jié)串聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)，而正是由于這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)給其量子效率的測量帶來了困難[2-7].按照傳統(tǒng)測量單結(jié)電池的辦法，當(dāng)測量多結(jié)中某個子結(jié)時，其他非被測量子電池實際上處于反向偏壓限流狀態(tài)，導(dǎo)致測量電流失真.因此必須采取相應(yīng)的措施，消除非被測子電池的影響.

2 量子效率測試系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)原理

QE測量的基本原理如下：利用單色儀把光源發(fā)出的復(fù)合光分解成不同波長的單色光，單色光通過斬波器斬波轉(zhuǎn)變成脈沖光后照射到待測樣品上，樣品便產(chǎn)生脈沖光電流.脈沖電流由BNC線纜傳輸?shù)芥i相放大器進(jìn)行放大處理，同時在相同的條件下測量已知QE值的標(biāo)準(zhǔn)電池的相應(yīng)的脈沖光電流信號，然后將2個信號進(jìn)行比較，便可計算出待測樣品的QE值.其計算公式為

(1)

式中，Acell，Aref分別為待測電池和標(biāo)準(zhǔn)電池的面積，Icell，Iref分別為待測電池和標(biāo)準(zhǔn)電池的電流，當(dāng)測得Icell，Iref2組數(shù)據(jù)以后，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)電池的量子效率QEref，就可由上式計算得到待測電池的QE值[2-6,8-9].

在測量多結(jié)太陽電池光譜響應(yīng)的時候，必須消除非被測子電池對測量結(jié)果的影響，因此引入了偏置光源與偏置電壓.測量某一子結(jié)電池，需要將相應(yīng)的偏置光源打開，并輔以適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使非被測子電池受偏置光源輻射處于飽和狀態(tài)，而被測子電池不受偏置光源輻射，只接收脈沖單色光，從而產(chǎn)生脈沖電流，經(jīng)鎖相放大器濾掉其他非被測子電池的連續(xù)信號檢出脈沖信號.

傳統(tǒng)的量子效率測試系統(tǒng)的光路常采用這樣的方式，即光源發(fā)出的入射光經(jīng)單色儀后由分光片分光而變?yōu)殡p光路，其中一路照射標(biāo)準(zhǔn)探測器，另一路照射待測樣品.這種結(jié)構(gòu)好處在于保證了測量上的時間均勻性，但由于分光片對各波長入射光的反射透射率并不一致，因此需對經(jīng)分光片分光后各波長單色光的通量比值進(jìn)行標(biāo)定，很容易造成誤差.這里采用分時測量，利用滑動式樣品定臺使標(biāo)準(zhǔn)探測器和待測樣品先后處于光路中的同一位置，確保了輻射通量相等，降低了測量誤差.圖2給出了筆者設(shè)計的單光路量子效率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意.

圖2 單光路量子效率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2系統(tǒng)硬件

2.2.1 單色儀、斬波器和鎖相放大器

單色儀是本系統(tǒng)的核心部件之一，本系統(tǒng)要求能對單色儀實行遠(yuǎn)端控制，并要求波長連續(xù)可調(diào)，且分辨率小于1 nm.采用美國Spectral Products公司的DK240型單色儀，內(nèi)置3塊光柵，波長從0.2～2 μm連續(xù)可調(diào)，波長精度為0.01 nm(1 200 g/mm光柵)，并外配慮光輪，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)RS232 和GPIB接口，可實現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)程控制.斬波器與鎖相放大器配合使用，以實現(xiàn)對被測電池光電流的收集.斬波器采用美國斯坦福系統(tǒng)公司的RS540光斬波器，可提供4～3.7 kHz的斬波頻率；鎖相放大器采用日本NF公司生產(chǎn)的LI5640型鎖相放大器，選擇電流輸入，電流靈敏度為5 fA，精確度為±1%.

2.2.2 光源與偏置電壓

在本測試系統(tǒng)中，使用2種用途的光源，一種是提供單色脈沖光的光源，另一種為偏置光源.前者采用氙燈與鹵鎢燈的組合光源.氙燈的輻射光譜能覆蓋0.2～2.5 μm的波段[10]，但是寬光譜的氙燈譜線中有多個銳利尖峰，導(dǎo)致測量結(jié)果穩(wěn)定性較差.因此輻射波長大于0.8 μm后用光譜分布平滑的鹵鎢燈為優(yōu)[11].偏置光源以鹵鎢燈為主，配以適當(dāng)?shù)臑V波片.目前市場上的長波通和短波通濾波片即可滿足使用要求，其選擇要參考被測電池各子電池的吸收截至波長而定，靈活組合.偏置光源的應(yīng)用是為了確保使被測子電池起限流作用，而非被測子電池處于相對過飽和狀態(tài).原則上講單色光源的輻照強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)與1個標(biāo)準(zhǔn)太陽的光強(qiáng)一致，而偏置光的強(qiáng)度則要求略大于單色光的強(qiáng)度.在實際的應(yīng)用中還要考慮輻照度的穩(wěn)定性，在本系統(tǒng)中特意配置了電流、電壓波動幅度小于0.1%的穩(wěn)壓電源，保證了測量的需求.

由多結(jié)光電池的結(jié)構(gòu)可知，測量過程中，施加偏置光后，被測子電池實際上處于反向偏壓狀態(tài)，偏壓大小約等于其他非被測子電池開路電壓之和.因此必須對光電池施加正向偏壓以平衡非被測電池產(chǎn)生的反向偏壓，否則容易導(dǎo)致信號失真.本系統(tǒng)配置了靈敏度達(dá)0.01 V的偏置電壓發(fā)生器,可提供0～3 V連續(xù)可調(diào)的偏置電壓.

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)電池

標(biāo)準(zhǔn)電池的選擇非常重要，一般來說標(biāo)準(zhǔn)電池電流對光強(qiáng)的響應(yīng)要具有良好的線性度，尤其在不能保證入射光強(qiáng)恒定的情況下，這一點(diǎn)尤為重要.另外被測電池與標(biāo)準(zhǔn)電池應(yīng)該屬于同種材料體系，例如對于染料敏化電池的QE測量，最好采用已知QE值的染料敏化電池作為標(biāo)準(zhǔn)電池.本系統(tǒng)配備了2種標(biāo)準(zhǔn)電池，分別為Si電池和Ge電池.其中Si標(biāo)準(zhǔn)電池的有效光譜響應(yīng)范圍為0.3～1.1 μm，Ge標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)范圍為0.8～1.86 μm，2塊標(biāo)準(zhǔn)電池的面積均為4 mm×4 mm.2塊標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)經(jīng)計量科學(xué)院計量校正，且對光強(qiáng)的響應(yīng)具有良好的線性，圖3給出了2塊標(biāo)準(zhǔn)電池的量子效率曲線.

圖3 Si電池和Ge電池的量子效率曲線

2.3系統(tǒng)的控制與軟件

通過GPIB卡實現(xiàn)計算機(jī)、鎖相放大器與單色儀之間的通訊，并利用Visual Basic語言編寫了控制程序.

在控制軟件的具體實現(xiàn)上，本系統(tǒng)調(diào)用AgilentVISA I/O指令庫來實現(xiàn)對GPIB接口板的操作.VISA即虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，是標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱，可實現(xiàn)各種接口類型函數(shù)的所有功能[12-13].軟件中功能模塊使用VISASession指令，VISASession是每次程序操作過程的唯一標(biāo)識符，它標(biāo)識了與之通訊的設(shè)備名稱以及進(jìn)行I/O操作必需的配置信息.系統(tǒng)主要調(diào)用的VISA接口函數(shù)為：VisaRM.Open，VisaSession.Close，VisaMessage.ReadString和VisaMessage.WriteString等，實現(xiàn)對GPIB設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀取與寫入字符串等操作.單色儀與鎖相放大器本身配合GPIB協(xié)議，也定義了各自的命令格式，如單色儀的“GOTO”命令表示使單色儀的輸出波長調(diào)整到某一值.這里給出2例通過VISA指令控制GIPB設(shè)備的程序格式

Set visaGPIB1 = VisaRM.Open(“GPIB0::1::INSTR”, EXCLUSIVE_LOCK)

VisaMessage1.WriteString (“GOTO 500 ”)

其中第1條表示打開地址為1的GPIB設(shè)備，使其與程控機(jī)建立聯(lián)系.第2條表示向地址為1的GPIB設(shè)備發(fā)送“GOTO 500”這一字符串.圖4為編制的控制軟件界面.

圖4 量子效率測試系統(tǒng)控制軟件

3 應(yīng)用實例

利用本系統(tǒng)對由GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)光電池進(jìn)行了量子效率的測量，測試樣品由中科院半導(dǎo)體研究所提供.測量過程中，斬波頻率設(shè)置為22 Hz，由大功率藍(lán)光二極管提供藍(lán)光偏置，由鹵鎢配合濾光片等提供紅光與紅外光偏置，偏置電壓依次為1.16, 1.55和1.39 V.室溫下GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)電池的量子效率測試結(jié)果如圖5.量子效率曲線清晰地反映出GaInP子電池、GaAs子電池和Ge子電池的主要光譜響應(yīng)區(qū)間分別為0.3～0.7 μm， 0.6～0.9 μm和0.9～1.88 μm.根據(jù)以上量子效率計算得GaInP子電池、GaAs子電池和Ge子電池的短路電流密度分別為12.9,13.7，17 mA/cm2.由此可以判斷被測3結(jié)電池的短路電流密度大小主要受限于GaInP子電池，這就給進(jìn)一步優(yōu)化電池指出了具體的方向.

圖5 GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)疊層電池常溫下的量子效率曲線

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了用于多結(jié)太陽電池量子效率測試原理與測試系統(tǒng)的實現(xiàn)，對系統(tǒng)各部分硬件功能及作用進(jìn)行了說明，并針對多結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)討論了偏置光與偏置電壓的選擇與使用.最后利用搭建的單光路量子效率測試系統(tǒng)對GaInP/GaAs/Ge 3結(jié)太陽電池進(jìn)行了量子效率的測量.實踐表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量結(jié)果精度高，重復(fù)性好，已成功用于光伏器件的研發(fā).

[1] GREEN M A, EMERY K, HISIKAWA Y, et al.Solar cell efficiency tables[J].Prog Photovoltaics, 2010, 18: 346-352.

[2] 向賢碧.QE測量在GaInP/GaAs疊層電池研究中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報, 2003, 90(4):90-93.

XIANG Xianbi.The applications of QE measurement in the research of GaInP/ GaAs multi-junction solar cells [J].Acta Energiae Solaris Sinca, 2003, 90(04):90-93.

[3] MEUSELY M, BAUR C, LETAY G, et al.Spectral response measurements of monolithic GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cells: measurement artifacts and their explanation[J].Prog Photovolt: Res Appl, 2003, 11:499-514.

[4] SARAH R K, EMERY K，OLSOA J M.Methods for analysis of two-junction, two-terrninal photovoltaic devices[Z].IEEE First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,New York,1994.

[5] MUELER R L.Spectral response measurements of two-erminaltriple-junctiona Sisolar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 1993, 30:37-45.

[6] SILVESTRE S, SENTIS L, CASTANER L.A Fast low-cost solar cell spectral response measurement system with accuracy indicator[J].IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 1999, 48(5):944-948.

[7] LIU Lei, CHEN Nuo-fu, WANG Yu, et al.Temperature dependent spectral response characteristic of Ⅲ-Ⅴcompound tandem cell[J].Chinese Science Bulletin, 2009, 54(3):353-357.

[8] 張輝, 劉建偉, 楊良，等.紫外可見光探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)的研制[J].激光與紅外, 2003, 33(5):371-373.

ZHANG Hui, LIU Jianwei, YANG Liang, et al.Study and development of spectral responsibility testing system for ultraviolet-visible detector [J].Laser amp; Infrared, 2003, 33(5):371-373.

[9] 杜玉杰, 杜曉睛, 常本康，等.光譜響應(yīng)測試儀的研制及應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)報, 2005, 29(6):690-692.

DU Yujiec, DU Xiaoqing, CHANG Benkang, et al.Development and applications of spectral response measurement instrument[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2005, 29(6):690-692

[10] 邵若燕, 林文正, 劉建軍，等.連續(xù)氙燈在太陽模擬器中的應(yīng)用研究[J].光源與照明，2008, 4:18-20.

SHAO Ruoyan, LIN Wenzheng, LIU Jianjun, et al.Application research of continuous xenon lamps in solar simulator[J].Lamps amp; Lighting, 2008,4:18-20

[11] 呂正, 代彩紅, 于家琳.鎢的光譜發(fā)射率測量[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理, 2004(2):9-11.

Lü Zheng, DAI Caihong, YU Jialin.Spectral emissivity measurement of tungsten[J].Modern Measurement and Test, 2004(2):9-11.

[12] 羅光坤, 張令彌, 王彤.基于GPIB接口的儀器與計算機(jī)之間的通訊[J].儀器儀表學(xué)報, 2006, 27(6):634-637

LUO Guangkun, ZHANG Lingmi, WANG Tong.The communication between instrument and computer based on GPIB interface[J].Chinese Journal of Scientific Instrument， 2006, 27(6):634-637.

[13] 王學(xué)偉, 張未未, 趙勇.USB-GPIB控制器及VISA 函數(shù)庫的設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2008, 22(3):87-92.

WANG Xuewei, ZHANG Weiwei, ZHAO Yong.Design of USB-GPIB controller and VISA function librar[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument， 2008,22(3):87-92.

(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Designandrealizationofquantumefficiencymeasurementsystemusedformulti-junctionsolarcells

LIULei，ZHANGSuo-liang，MAYa-kun,WANGYong-qing

(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002，China)

A quantum efficiency measurement system with bias lights and bias voltage was set up in order to fulfil the quantum efficency measurement of multi-junction solar cells.The principle of quantum efficiency measurement of multi-junction solar cells was expatiated, and the structure of the measurement system was illustrated in detail.The control software was also successfully developed by Visual Basic language.Further more, the use of bias lights and bias voltage, and the choice of the standard cells were discussed particularly.Finally, the system was successfully used to take the measurement of GaInP/GaAs/Ge three-junction solar cells, whose spectrum response scale ranged from 0.3 μm to 1.88 μm.

quantum efficiency； multi-junction solar cell； bias voltage； bias light

TN307

A

1000-1565(2012)01-0091-05

2011-07-11

河北大學(xué)自然科學(xué)研究計劃項目(2009-171)；河北省教育廳科學(xué)研究計劃項目(Z2010120)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(F2011201045)

劉磊(1979-)，男，河北正定人，河北大學(xué)講師，博士，主要從事光伏器件制備與檢測相關(guān)方面研究.