太阳电池及其应用 第四章全文 20121224

1、1第四章第四章 太阳电池的标定和测量太阳电池的标定和测量4.1 太阳能电池的标定太阳能电池的标定太阳电池效率的定义是：太阳电池在最佳工作状态下输出的电功率与投射到太阳电池上总的光功率之比。电功率用一般的电子仪器很容易测出，但光功率光的能量的测量，因涉及光谱问题，就比较复杂。光照时太阳电池的电流特性和电压特性基本上概括了整个太阳能电池电性能，前者主要是收集效率的问题，后者是太阳电池二极管的特性问题。对同一片电池，收集效率与光谱特性密切相关，而二极管特性和填充因素则与光源光谱无关。因此，效率问题，实际上变成了测量短路电流与各种光源的光强的关系问题。如在某一特定光源的光强下，只要得到同样的电流，二极

2、管特性将是一样的。既然效率的测量归结到确定太阳电池的短路电流，因此，确定太阳电池在某一状态下的短路电流就很重要了。目前，国际上通用的测量方法，是采用标准电池法，亦即选一片太阳电池，首先在某一特定的标准状态（光源）下进行短路电流数值的测定，然后用它作参考电池去校准测试时所用光源的光强，再用此光强测量其它的被测电池。我们把作为参考的电池在一定的光源状态下，确定短路电流的过程叫做标定。而利用标准电池的数据，去获得其它电池的数据的对比过程简称为复现。一般说来，太阳电池效率的测量问题可归结为标定参考电池，和在一定光源下用标准电池复现的问题。太阳能电池效率 的定义为 （4-1）)(1FFVJFFJVocs

3、cscoc2我们把称为积分响应：scJQ= （4-2）QscJ则把方程式（4-1）变成=VocFF （4-3）Q所以，只要定出一个太阳电池的积分响应，它的效率就可求Q出。确定太阳电池在某一个特定的太阳光照状态下的值，是标定Q工作的主要内容。根据太阳电池用途（如空间使用或地面使用）不同，标定方法也有差别。4.1.1 空间用太阳电池的标定空间用太阳电池的标定空间用太阳电池的标定，统称 AM0 标定。目前最常用的 AM0标定法有如下几种：卫星标定、火箭标定、气球标定、飞机标定、高山标定和实验室光谱标定。卫星标定一般都是实地验证其它标定方法的一种手段，而不作为标定电池的方法，原因是太阳电池不能回收。火

4、箭标定是飞行高度最高（250km）的一种标定方法，飞行高度比气球高五倍多，这种方法成本高。高山标定比较容易实现。实验室标定需要精密仪器，但可用来比较其它标定方法所得的结果。各种标定方法中气球标定和高山标定法比较常用。气球标定的光源状态已接近理想的 AM0 状态。这种方法已连续进行十几年，积累了大量的标准电池数据。特别是根据这些标定结果设计各种卫星的太阳电池方阵，其功率与卫星实际飞行结果符合，所以，各国公3认此法标定的电池是一级标准电池。但是各种标定方法都可以得到高精度的标准电池。各种方法要相互比较，而取其结果一致的电池作为一级标准电池。用高空气球或探空火箭标定的最大问题是成本太高。如果用其它标

5、定方法，例如高山标定，实验室光谱标定等较经济的方法，对标出的结果通过实践卫星上遥测的数据给以验证，那么它们就将成为更实用的方法。卫星或飞船上用的太阳电池，是在不同轨道上接受阳光的辐射，为了确定一个共同的基础，引入了 AM0 标准状态的阳光辐照度（不存在大气衰减的平均日地距离上垂直于阳光的平面上的太阳光辐照度） ，即太阳常数的概念。空间标定就是确定在 AM0 状态下，太阳电池的短路电流或短路电流密度；或者说确定太阳电池在 AM0 条件下的积分响应。1、高山标定为了获得 AM0 状态下太阳电池的电流数值，可利用大气对太阳光辐照度的衰减规律进行外推。设太阳光光谱辐照度 e（） ，在通过大气层时，因大

6、气质量（m）变化了 dm，使得辐照度减小了 de（） 。则 （4-4）dmkede)(-)()(式中 k()是与 m 无关的常数。在大气质量由零变到 m 时，辐照度由 e0（）变到 e（）：4eemdmkede00)(-)()(所以 e（）=e0（）exp-k()m (4-5)式中 j（）和 j （）分别为太阳电池在大气质量为 m 和零时的光谱电流。上述方程式也可以变为另一种形式：ln j()=ln j0() k()m （4-6）以 ln j（）和 m 作图时，得到一条纵坐标截距为 ln j0()的直线（见图 4-1） 。直线的斜率 k()为大气的吸收系数。大气状况不同时，k()值也不同。各直

7、线斜率虽不同，但外推到 AM0 条件即m=0 时，应当相交在一个共同点 ln j0()。根据上述原理，用一批波长不同的干涉滤光片盖到待标定的太阳电池上，测各种大气质量下的光谱电流 j(), 然后，都外推到 AM0 状态，则分别得到各个波长下的 j0()值：则 jAM0=j0(n) n=1，2， （4-7）对白光的情况，方程式（4-5）两边都乘以光谱响应 Q（） ，并对整个波长积分：000)md)exp-k()Q()d)Q(ee按积分中值定理，总可以选择一个适当的 k*，使其满足：0000)()()*(-exp)md)exp-k()Q(dQemke即 J=J0exp（-k*m）或 ln J=ln

8、 J0-k*m （4-8）可以看出，如果直接用白光外推，大全状态必须经常稳定和有一个5确定不变的等效大气吸收系数 k*。推原理来说，大气质量 m 越小，不论是用单色光外推或者是用白光外推，外推的长度也就越短，从而也就越精确。在高山顶上的大气质量 m，除了和天顶角 Z 有关外，还与气压 P 有关： （4-9）ZPPmsec0式中 P0为海平面标准气压，山越高，气压越小，从而大气质量也就越小。天顶角 Z 可由纬度 ,太阳倾角 和时间 t 计算出来：cosZ=sinsin+coscoscos t （4-10）由于日地距离在标定时，不是一个天文单位（平均日地距离） ，所以标定后的数值还需进行适当的修正

9、。全部标定试验的太阳电池都放在能自动跟踪太阳的准直桶内，记录下当地真太阳时和被标定电池的短路电流密度，计算出短路电流密度与大气质量的关系，从而把大气质量外推到零，求出 AM0 条件下的太阳电池的短路电流密度值。为了使大气质量再进一步减小，只靠高山的高度还是不够的，因此设计了飞机标定；按高山标定大气质量外推的同样原理，在飞机上随飞机的高度变化测被标太阳电池短路电流密度。高山标定，在实验过程中，由于靠近地面大气的浑浊度大，以及影响太阳辐射的因素太多，所以都选择距海平面相当高度的高山顶上进行实验，故名高山标定。从外6山的高度一般为 23km，飞机标定时飞机飞行高度可达到1020km。2、气球标定飞机

10、飞行的高度还不能穿越大气层，因此要想获得更高的实验精度，最好能在大气层外或接近于大气层外进行太阳电池的标定。除航天飞机和火箭外，高空气球是较好的工具，它的飞行高度可超过 30km。99.5%的大气在 36km 以下，在这个高度的上界，没有灰尘，没有水蒸气，没有主要的臭氧带，因此这里的太阳光（考虑到硅太阳电池的光谱响应波长为 0.351.1m）基本上就是外层空间的太阳光，因此 36km 的高空是标定 AM0 标准硅太阳电池的好地方。气球标定系统分四部分：充氢气或氦气的气球，太阳跟踪装置，遥测系统和蓄电池（见图 4-2） 。7太阳电池的转换用多位步进开关来实现。从太阳电池两端得到的正比于电池短路电

11、流的电压信号送到压控振荡器，转换成频率的变化量，再去调制载频，由调频发射机将数据发送到地面。跟踪控制的电子器件以及遥测系统的前置防大部分都安装在气球的顶部，由穿过气球的电缆将电源和信号与气球下部的相应部分连接起来。气球下部载有调频发射机、蓄电池组、降落伞、天线以及其它控制机构。除了测量太阳电池的电压信号外，还需测太阳电池的温度和参考电压。气球按设计的充气量和载重量，当它上升到一定高度时，便停止在这一高度上，一般称飘浮高度，在这个高度上，气球漂浮大约34h，这时进行测试。测试完毕后，由预置时间计控制装置使气球气球用特制的乙烯薄膜压制而成。气球完全膨胀时直径可大到 65m，体积约 100,000m

12、3，在没有载荷下，漂浮高度可达 36km。太阳电池安装在电池板上，每个太阳电池都并接一个精密电阻。太阳电池板安装在太阳跟踪装置上。当气球达到一定高度时，通过压力开关控制接通跟踪装置的电源，使太阳电池正对着太阳。跟踪精度现在可达到1。各片8以一定速率放气，气球就慢慢地下降到地面上来。降落伞是用以防止气球爆裂时整个气球系统包括仪器及被标的太阳电池在落地时摔坏。整个气球标定系统的精度原来为0.76%，现在提高到0.5%。3、实验室光谱标定实验室内标定太阳电池和在自然阳光下标定不同。它是在已知标准状态 AM0 光谱辐照度下，求太阳电池短路电流密度的方法。太阳常数和 AM0 光谱辐照度，通过大量的多年观

13、测已基本确定下来，并公认为标准数据被推广应用。设太阳电池的等能量光谱响应Q（）是已知的； （4-11）)()()(ddjQ式中 ()为光谱能量。则在 AM0 光谱辐照度 e0（）下，太阳电池的短路电流 JAM0即可求出： （4-12）dQeJAM)()(00或近似地写成 （4-13）)()(00QeJAM式中 为取的光波波长间隔， 为标称波长。Q（）量纲为 mA/mW，故称为绝对光谱响应。由于太阳电池光照面上，被形状不同的栅线覆盖着，这里所提的 Q（）是整个太阳电池的，而不是有效光照面积的光谱响应，所以计算出的 JAM0是整个太阳电池的电流密度。这种标定方法比较麻烦。因太阳电池的绝对光谱响应的

14、测量比9较困难，另外，光谱响应的测量大都是在弱的，独立的单色光下测量的，由这些测量的结果综合成的光谱响应有时对某些类型的太阳电池不能适用。4.1.2 地面用太阳电池的标定地面用太阳电池的标定1、总辐射法最早确定地面太阳电池效率的方法，是把太阳电池水平地放置在地平面上，把直接辐射计对准太阳，总辐射计水平放置，然后同时测量太阳电池的输出和直接辐射量及总辐射量，并据此计算出散射辐射量。图 4-3 为总辐射法标定太阳电池示意图。电池短路电流可直接用数字电压表自动采集测量并联在太阳电池两端的电阻上的电压降，也可通过电流电压变换器测量经放大后的电压显示出来。对入射到太阳电池上的太阳辐射量，是散射辐射量和直

15、接辐射量二个分量之和：总=散+直cos Z （4-14）10 天顶角 Z 可以从直射辐射计准直桶倾斜的角度求出，也可以用方程式（4-10）算出。用这种方法标定出的太阳电池对当地当时使用它校准地面阳光和测试太阳电池方阵功率是有实际使用价值的。此法要求天空晴朗无云时标定电池，但标定的结果仍难于重复。原因是季节和气候变化很大，使各个地面用太阳电池的优劣难于比较。由于总辐射里面包含的散射辐射变化很大，要想从规定的大气参数确定地面阳光总辐射的辐照度的标准也很困难。比较可行的办法是，每年选取春秋两季中天气最好的日期进行。在标定时，除了按常规测试电池的电流和总辐射量外，还增测太阳光的总辐射光谱辐照度。利用多

16、年中多次测量的平均值确定标准光谱。在标定其它电池时，把标定值都校正到标准状态。实际上，校准方法所用的总辐射光谱辐照度，因测量困难，有11时只用总辐射法标定，而不修正到标准状态。2、直接辐射法直接辐射法和总辐射法不同，直接辐射法标定的量是太阳的直接辐射量和在直接辐射下太阳电池的短路电流。由于标定的量不包括散射辐射，所以标定结果可以由选定的标准大气状态来控制。通常情况下，在一定的大气质量变化范围内，晴朗无云，大气浑浊度不太高，标定的结果不因时间地点的变化而有大的变化。这种稳定性的标定结果是直接辐射法所具有的特点。因此，地面用太阳电池的标定方法，往往采用直接辐射法。在测量过程中，对大气状态要严格监视

17、，要求为：（1）天气晴朗无云；（2）同一个太阳电池总辐射的电流不大于直接辐射的电流 1.2倍；（3）大气质量介于 1 和 2 之间。NIP=Normal incidence pyrheliometer, 即在垂直入射直接辐射计直接辐射法也称 NIP法，它是把被标定的太阳电池分别装在和直接辐射计有相同视角的准直桶内（图 4-4） ，和直接辐射计一起跟踪太阳，并在同一时刻测量和记录太阳电池的短路电流和直接辐射能量。12自动跟踪装置可分两类，第一种是天文观测用的定日计，用一只同步电动机按一定转速比带动准直桶沿黄道面以 360/h 的速度转动，这种跟踪方法比较简单。第二种是采用闭环控制系统，用两队差动

18、相接的太阳电池做敏感器，在准直桶未完全对准太阳时，它们的差分信号经相敏放大带动可逆电动机驱使准直桶向正对太阳方向转动。在准直桶对准太阳时，差分信号为零，电动机停止转动。为了达到标定的数据能相互比较的目的，对标准大气状态下的地面阳光光谱辐照度做了如下的处理。比较合理的方法是对全国不同地区进行不同大气质量的地面光谱辐照度的实地测量。最后进行综合处理取平均值。这种测量数据要经过长时间的积累，才能确定给出全国或一个地区最有代表性的地面光谱辐照度。显然这是一项非常艰巨而繁重的工作。另外一种方法是对大气参数做了有代表性的假设，然后根据大气在这种模型下的吸收规律由 AM0 光谱辐照度计算出地面标准大气状态下

19、的光谱辐照度。有了标准光谱辐照度，对其它时间和地区标定出的太阳电池数据短路电流或积分响应，就可以进行修正。修正的方法可按下节光谱标定法进行。4.1.3 太阳电池的光谱能量标定太阳电池的光谱能量标定太阳电池标定是确定太阳电池在一定标准状态下的短路电流密度，或确切地说是在一定的光谱辐照度下的积分响应： （4-15）dedQeQ)()/()()(0013式中与 e0()有关的常数，当二个光源的光强相等时，它们所对Q应的短路电流并不相等，原因是积分响应不同。是个平均概念，QQ它是由太阳电池的光谱响应 Q()所决定的。现在所用的光谱响应大都是相对响应 Qr(),而计算短路电流密度所用的是绝对响应 Qa(

20、)前一节笼统称为 Q(), 它们之间相差一个系数 k：Qa()=k Qr() （4-16）光谱能量标定所要解决的主要问题，就是如何确定 k 的问题，亦即给光谱能量绝对标定的问题。1、用单色光（能量）定标单色仪分光出来的单色光束，能量较小不宜用以定标。而需用其它单色光束。它的能量必须大于辐射计能够测出的最低能量。氦氖激光器：利用氦氖激光器激光光束（632.8nm）照射太阳电池，并测其电流密度 j，然后在光束能量不变的前提下，用激光功率计测光束能量 e。太阳电池在 =632.8nm 处的绝对响应 Qa()为Qa=j/e因各波长相对响应的刻度不同，由方程式（4-16）就可按比例确定出各波长共同的比例

21、系数 k 来。汞灯：由于汞灯是线光谱光源，而且其中绿光（546.1nm）的能量最丰富，所以它可以用来作单色光能量定标的光源。它和激光器不同，为了获得对太阳电池的单色光照射，汞灯和太阳电池之间还14需加一块 5461 的干涉滤光片。由于 5461 的能量比较大，所以用辐射计可测出它的能量。用单色能量定标，关键的问题是准确的测定单色光的能量。只要我们有太阳电池光谱响应范围内的单色光源，并且它们给出的单色光能量又大到可以用辐射计测出，那么任一种波长下定标都是一样的。这里假设相对响应和绝对响应之间的系数在各个波长都相同。2、在白光下定标假设在一给定的光源下，光源的相对光谱辐照度 er()是已知的，太阳

22、电池的相对光谱响应 Qr()也是已知的，此时在该光源下测量太阳电池的短路电流密度 J 和光源的辐照度 , 则可求出 k： （4-17）dQedeJkrrr)()()(另外，如果光源的光谱辐照度 er()是已知的，则在该光源下太阳电池的电流密度 J 即为 （4-18）dekJa)()Q(r换句话说，只要测出太阳电池在硅片辐照度已知的光源下的电流，k 也可以求出。4.2 复现复现太阳电池的标定主要包括两个内容：一个是确定电池的积分响应，另一个是确定它的光谱响应 Q()(mA/mW)。所以要)/(mWmAQ强调这二点，是由于下列原因：（1）一般的太阳模拟器的光谱特性与标准状态下的太阳光谱分15布不同

23、，有些部分相差较多。（2）标准的太阳电池的光谱响应和被测太阳电池的光谱响应不同，有的相差很远。上述两点也是复现的主要问题，即模拟光源光谱与太阳光谱不匹配和标准电池与被测电池光谱响应不匹配。为此必须对模拟器、标准电池和被测电池建立起相互的光谱关系。在用标准电池校对光源的光强时，光源应当接近标定用光源的状态，例如 AM0 的标准太阳光谱辐照度或者 AM1.5 标准太阳光谱辐照度。凡光谱辐照度接近标准太阳的光源都称为太阳模拟器。不适当的模拟器，由于它的光谱与太阳光谱不匹配测试上也将引起很大的误差。因此测量太阳电池的效率时，标准太阳电池和太阳模拟器二者是必不可少的。以下分别叙述光源及标准电池。4.2.

24、1 氙灯模拟器氙灯模拟器现用的太阳模拟器有二种，第一种为脉冲氙灯太阳模拟器；第二种为直流球形氙灯模拟器。本节重点介绍直流球形氙灯太阳模拟器。这种模拟器根据氙灯的功率可分为百瓦级、千瓦级甚至万瓦级。大功率的氙灯常用在组合条或方阵的测试上，1 千瓦的氙灯多用于单片太阳电池的测试。模拟器的结构及光学系统示于图 4-5.氙灯的光弧要求正好在椭球反光镜的一个焦点上，从氙灯出来的光线经反光镜后聚焦在椭球镜第二焦点上，在第二焦点上放置一组棒状聚光透镜（积分器） ，它把汇聚的光束充分混合后，使光束在16截面上的每个小的局部辐照度均匀，从而从积分器它又正好在准直物镜的焦平面上出来的混合光束，经准直物镜变成平行光

25、线。所有透镜都是熔融石英制成的。大型的太阳模拟器的椭球镜焦距长， 为节省空间，在椭球的两个焦点间加一平面反射镜来改变光线的路径。氙灯的供电是采用三相交流电经半控桥式整流的方式实现的。氙灯控制回路的可控硅控制极接移相触发器，由光电池作光反馈的敏感元件，它和标准信号的差值经放大器放大后，加到移相触发器的输入端，控制脉冲相位从而达到拉制可控硅导通角。这样氙灯回路的电流和光电反馈信号形成闭环，使系统及辐照度稳定。有了几何光学系统（椭球反光镜、积分器和准直物镜）以及稳定辐照度的可控制的供电系统，模拟器就具备了下述特点：均匀的光照面积（mm2范围） ；辐照度对时间的稳定性（变化量/小时） ；光束的准直角（

26、太阳角） 。一般的太阳模拟器，上述指标都有一定的数值。除了上述参数之外，还有一个重要的参数即光谱特性，它是影17响测试精度的重要参数。氙灯的光谱辐照度由于红外部分太大和太阳光谱相差很多，致使氙灯光谱和一般的钨灯光谱在实用上相差不多。要达到模拟太阳光谱的目的，必须对氙灯光谱进行修正，也就是要设计一组干涉滤光片，让氙灯中符合日光光谱的部分通过，对不符合的光谱部分进行衰减。但是，要想对全部光谱有选择的衰减是非常困难的，这也就是为什么现今的太阳模拟器不可能做到十分完善，以及光谱失调不能为零的缘故。滤光片可根据用处不同，设计成 AM0 氙灯滤光片和 AM1.5 氙灯滤光片组。用时只需把它放在光路中即可。

27、图 4-6 示出用 AM0 滤光片，修正后的太阳模拟器光谱。4.2.2 钨灯钨灯18最方便和实用的模拟器是钨灯，它结构简单，辐照度也很稳定，并且也可以达到足够的均匀的光照面积。但由于钨灯光谱辐照度和日光的相差太大，所以一般都用滤光装置对红外光谱进行衰减。滤光装置有两种，一种是水滤光器，另一种是滤红外光的玻璃。虽然它们都能对钨灯的丰富的红外光做适当的修正，但还是和太阳光谱相差较远。最近采用了一种介质膜反光镜加卤钨灯的光源。它的特点是：卤钨灯发出的钨灯光谱和经过介质膜（透红外光而反射可见光）反射镜的可见光谱叠加在一起，使得总的光谱分布有了很大的改善。由于利用了反光镜光通量增大了，而且还可以通过调节

28、反光镜的位置来调节光强。4.2.3 复现方法复现方法任何一种模拟器的光谱不可能和标准大气状态下的太阳光谱完全一致，而作为参考电池的标准电池也不可能和被测电池光谱响应一致，因此，用一个参考电池校准光强去测量另一个电池时就要出现误差，其误差 为 （4-19）dBGGST1-)()(-)(式中 GT()和 GS()分别为被测电池和参考电池的相对光谱电流：0,0,)()()()(AMSSSAMTTTjjGjjGB()为模拟器的光谱辐照度与标准状态（例如 AM0）的光谱辐照度之比：19)()()(0eeBsim如果我们采用的模拟器 B()-1 很小，则复现误差可以不考虑，实际上被测电池的精度，就非常接近

29、标准电池（参考电池）的精度。根据这个原理，高精度太阳模拟器往往是制造二级标准电池的最好手段。这种模拟器可直接当成标定工具，因为用这种太阳模拟器测出的太阳电池，能很好地接近一级标准电池的性能。现在的问题是，一般太阳电池制造单位大都采用钨灯光源。为了精确测定太阳电池的性能，就需要对不同类型的钨灯光源做适当的光谱修正。最常用的钨灯模拟器的光谱辐照度 e()和标准太阳的 e0()，往往相差很大；假定用光谱响应 Qs的参考电池校准光强，而测试电池的光谱响应为 Qr，则被测电池在标准状态下的电流密度 Js为： （4-20）TSrSrTrTrSJdQedQedQedQeJ)()()()()()()()(00

30、或 JS=FSTJT （4-21）式中 FST为复现因子。很容易看出，当 er()=常数 e0()或 QSr=QTr时，FST=1。就硅太阳电池而论，背场电池、常规电池和多晶电池，它们的光谱响应相差很大。假如每种电池都有自己的标准电池做测试的参考电池，FST接近于 1；如果都以一个常规电池作参考电池，复现误差就很大，在我们精确的测定一个太阳电池的性能时，首先遇到的是复现误差，其次是标准电池的精度；而结果的误差是二者之和。204.2.4 标准电池分类标准电池分类标准电池分为一级标准、二级标准和工作标准。经过多次标定并用其它标定法对比后，标定值能很好吻合的一批电池称为一级标准。一级标准电池都按一定

31、的技术条件进行封装，并部保存在干燥的空气中。二级标准电池按复现的要求，除在模拟光源下测过短路电流外，都进行了光谱修正。二级标准电池都能严格跟踪一级标准的精度。标准光强用的标准电池称为工作标准。一般工作标准分好几类：如不同剂量辐照度照过的电池（这又可按剂量分若干档） ，多晶硅电池，背场硅电池以及化合物电池等。这些工作标准都按复现因子进行了修正。在使用它们时，按被测太阳电池类型用各自的工作标准校对光强。工作标准电池经常要和二级标准电池对比，而二级标准电池则需要定期到有关部门进行校验。标准太阳电池本身至少有三个必要的参数：积分响应 )/(mWmAQ或在某一标准状态下的短路电流；光谱响应 Q()和温度

32、系数。4.3 光谱响应的测量光谱响应的测量太阳电池的光生电流（短路电流）的大小，由两个因素决定：光源的光谱辐照度和电池对各种光谱辐照度的响应。响应是指一定能量的单色光照到太阳电池上，产生的光生载流子被收集后形成的光生电流的大小。因此，它不仅取决于光量子的产额，而且取决于收集效率。为了描述光谱响应这个概念，引用等量子光谱响应和等21能量光谱响应。工程上主要用等能量光谱响应。它的数学表达式为： （4-22）)(d)()(djQ如果把测出的光谱响应的峰值取为 1，则这种分布称为相对分布。此时纵坐标最大值为 1，其它小于 1。横坐标为波长，见图 4-7。在太阳电池性能测试和工程应用时，有时更关心它的绝

33、对响应，既要求知到，在某一波长下，1 单位的单色光能量，能产生多少光生电流密度。把这种分布画在图上，可以看出，曲线的形状和图 4-7完全相同；不同的只是纵坐标的单位，见图 4-8.任何一个光源在某一距离的任意垂直光束的平面上的光谱辐照度的定义为22 （4-23）dde)()(所以，太阳电池在这样的辐照度下产生的短路电流密度为 （4-24）dQeJsc)()(由方程式（4-24）可看出，在同一个光源下用不同光谱响应的电池测出的电流密度是不同的。测量方法分直流法和交流法；所采用的分光仪器分干涉滤光片和单色仪。各法测量都分两部分：测太阳电池的光谱电流密度和测相应波长下的相对光谱能量，然后按方程式（4

34、-11）求出 Q()。4.3.1 光谱电流密度的直流测量光谱电流密度的直流测量用干涉滤光片，或用单色仪，都可以测量光谱电流密度，装置示意图见图 4-9.直流测量时必须注意光的屏蔽，因为恒定单色光产生的直流光电流信号很小，在光屏蔽不好的情况下，杂散光引起的电流信号比测试信号还大，这样测试误差就很大。直流测量虽有这个缺点，但仪器不多，操作简单，故仍使用较多。4.3.2 用干涉滤光片测量用干涉滤光片测量分光仪器用 0.3m 到 1.2m 范围内无次峰的窄带干涉滤光片组成。由于滤光片面积较大，可以保证被测电池能均匀地、全部被23单色光照射。这样测出的电池光谱电流密度，更接近实际情况。用单色仪测量时，如

35、果没有特殊的装置，从出射狭缝来的单色光只能照在电池表面的某一局部位置，这样测出的性能不能反映整个电池的真实情况，若做绝对测量，误差就很大。用干涉滤光片测量，不仅能得到大的光照面积，而且容易测量绝对光谱响应；即在测完太阳电池光电流之后，把光束移向绝对辐射计，这样，就直接测出了各个波长单色光的能量。此法操作方便，缺点是滤光片数量有限，测量的点不密。4.3.3 用单色仪测量用单色仪测量用单色仪测量，可手动操作也可自动操作。为了让各种波长都有相同的能量，有几种方法。第一种方法是改变狭缝宽度，而固定其它因素，狭缝的宽度可手调，也可自动调节；第二种方法是改变光源的亮度，让从狭缝出来的单色光能量相等；第三种

36、是比较常用的方法，其所有条件都固定不变，测出的光谱电流密度和光谱能量相比即可。测量时单色仪狭缝不能太宽，否则波长误差太大。因为)()()(jQ式中 ()实际上是单色光在 带宽时所具有的能量。方程式（4-22）是微分形式，上述方程式是平均形式。如果把单色仪波长扫描的鼓轮用一定转数的电动机来拖动，而且把光电流密度的输出信号记录在走纸速度与波长扫描的速度相关的自动电子电位计上，则可自动画出光谱电流密度按波长分布的曲线。假如单色仪不是棱镜式的，而是光栅式的，操作中，还必须注24意二级光谱的影响。由于波长范围较宽，在 0.35m 到 1.2m 范围内，如果只用一块光栅，就必须一级光谱和二级光谱分段来使用

37、。这样在用一级光谱时就要用有色玻璃把二级光谱滤掉；在用二级光谱时，要把一级光谱滤掉，如不同的那级光谱波长在太阳电池的光谱响应范围之外，则可不必滤光。4.3.4 光谱能量的测量光谱能量的测量目前最常用的测量能量的仪器是真空热电堆，并采用石英窗口。真空热电堆的特点是无光谱选择性（中性） ，它的灵敏度是每单位入射能量产生多少热电动势，单位为 V/W。但由于被测单色光截面积很难调节到小于热电堆有效面积，以及难于标定，所以真空热电堆一般都用做相对测量。更常用而有效的方法是采用预先标好光谱响应的光电池或光电二极管作参考去标被测单色光的能量： （4-25）)(Q)()(srsj式中，Qsr()是标好的参考电

38、池的光谱响应；js()是在被测单色光下用参考电池测出的光谱电流密度。4.3.5 交流测量法交流测量法为了能精确的测量经分光后成单色光的微弱能量，和电池产生的相应于此能量的微电流，近代采用了锁相放大技术。首先把光用调制器变成一定频率的交变光，这个交变的单色光照到电池上，产生的交变电流信号和同样频率调制的参考信号通过相敏放大后变成直流输出，方框图见图 4-10。25由于锁相放大能抑制各种频率和相位的噪音，所以测量的精度很高，而且被测电池可以不加任何屏蔽装置。测出的电压信号实际上是并联在电池两端的电阻上的电压降，为了让此电压正比于电池的光谱电流，所用的电阻不应太大。光谱电流密度可用函数记录仪画出曲线

39、，也可由打印机记录。为了能用真空热电堆放在太阳电池处测出相对光谱能量，调制频率应选择在 820Hz 范围。交流测量法还有一个重要特点，那就是可以在已经照射交变光的太阳电池上再叠加任意光强的恒定白光起偏置作用。一个电池在太阳光照射下，接受了阳光中各个波长的能量。对任何一个波长的光束来说，它在半导体内产生的电子空穴对都不是在空白的环境内唯一存在的；而是在除它之外其它全部波长产生的电子空穴对的“海洋”里，特别是在强光注入的情况更是如此。当结区存在复合中心，在有“海洋”的情况下，它们很快被填满，对附加的单色光产生的电子空穴对不起作用；但是当没有“海洋”存在时，它产生的部分电子空穴对就被复合掉，其结果导

40、致收集效率下降。因此，为了反映太阳电池的实际状况，特别是对某些类型的太阳电池例如薄膜 CdS 太阳电池，无定形硅太阳电池和聚光太阳电池只用单独的单色光照射是不能反映真实工作情况的；必26须根据实际工作状态，让电池本身处在相当的电子空穴对“海洋”的基础上，测定各种单色光的效应。所以在测太阳电池的光谱响应应给电池一定的白光偏置。在偏置光下测定太阳电池的光谱响应的方法如图 4-11 所示。除了交流测量法所需的仪器之外，还需加一套偏置光源，这套光源的光照应能调节。由于太阳电池处于高光强下，所以它必须恒温。4.4 太阳电池伏安曲线及串联电阻的测量太阳电池伏安曲线及串联电阻的测量伏安曲线是太阳电池的主要参

41、数。它直接反映出电池输出功率。在一定太阳光（或模拟阳光）照射下，这曲线完全由电池的 p-n 结特性和电阻分散参数确定。为了较全面地分析太阳电池的伏安特性，应测试下列项目：电池的 p-n 结特性；电池在光照状态下的负载特性；电池在不同光强和温度下的电性能以及电池的串联电阻等。4.4.1 p-n 结特性的测量结特性的测量太阳电池工作在正向电压偏置下，因此 p-n 结的正向特性就很重要。一般测量正向结特性的方法，是直接加正向偏置电压到太阳27电池上，直接测量结电压和结电流，线路示意图如图 4-12 所示。测试过程中电池要恒温并要屏蔽光。所用的仪表要有足够的精度和阻抗。按测出的电流密度值和电压值作图可

42、得到结特性曲线。从电流密度的对数与电压的关系曲线还可求出饱和电流密度和指数修正因子 A（见图 4-13） 更直接观测结特性的方法是用示波器，把半波整流的交流电压加到电池上，取出通过电池的电流信号和加到 p-n 结上的电压信号，此时在示波器上即可得到合成的图形。外加偏压直流偏压或脉冲偏压测量 p-n 结特性会遇到电池串联电阻的影响问题，当太阳电池通过大电流时，p-n 结内阻就变得非常小。在这种情况下，电池内的串联电阻的影响越来越大，以至于在串联电阻 Rs上的电压降 Vs接近于测出的结电压 Vj0。在电池串联电阻很大的情况下，测出的伏安曲线就有很大的误差。为了解决这个矛盾，可以采用光电压和光电流法

43、。当太阳电池接受从弱逐渐变强的光照时时，电池在某一光强下的光生电压（开28路电压）Voc和光生电流密度（短路电流密度）Jsc的关系是： （4-26）1-0AkTqVscoceJJ它和二极管的正偏压情况是一样的。从太阳电池的等效电路看出，光照给二极管的 p-n 结施加的正向偏压和外加电源施加的偏压有一个重大的区别，那就是外加偏压必须通过电池的串联电阻后，才能施加到 p-n 结上，而光生电压则可直接加上去。因此改变光强测试短路电流密度和开路电压的关系曲线，是排除了串联电阻的 p-n 特性曲线。由于在高光强时，电池温度上升影响 Voc数值的准确测定，所以电池要放在恒温器上。4.4.2 太阳电池负载特

44、性的测试太阳电池负载特性的测试由于太阳电池在光照时，通过 p-n 结的电流随不同的负载而改变。因此要想描写这个特性，应当设法把负载从零变大到无穷大。电池两端的电压和通过负载的电流可用函数曲线的形式表达出来。所画出的曲线如图 4-14 所示。该图有个缺点，那就是电池由于串联一个提取电流的取样电阻，使得电池不能达到短路状态；另外可变电阻也不可能从零变到无穷大，所以又达不到开路状态，结果是画成的曲线不能和电流密度轴相交，也不能与电压轴相交。为了弥补这个缺点，一般都采用补偿线路，示意图见图 4-15。29 为了避免导线电阻的影响，采用“四线”连接；电池用两根粗线连接，通过电流，另两根线测电压用。取样电

45、阻也同样用四线连接。在可变电阻两端连接二个相同电阻 r，并且并联一个补偿电路，构成 随着离开平衡点 0 的距离的增大，正向电流也随之增大，并可使流过结的电流略大于光生电流。此时相当于负载曲线进入了第四象限（见图 4-16） 。当可变电阻滑动头从 0 点起向 B 点滑动时，和上述相反，电池开始受外加电源反向偏置。电池在短路状态时光生电流全部流过外回路，p-n 结处于截止状态。在电池处于不充分截止时，结内存在有少量的正向电流流过，但当反向偏置增大到一定程度时，反向电流桥路。当可变电阻滑动点在中间位置（0 点）时，电桥平衡。因为太阳电池开路时，全部光生电流都通过 p-n 结，相当于二极管导通。所以，

46、如果此时把可变电阻从零点向A 点调整，电桥平衡一经破坏，外加电源就可给电池以正向偏置。30增大到和正向电流相等，即到正好截止状态，再大则 p-n 结流过了反向电流，使得二极管充分截止。这相当于曲线进入了第二象限。根据上述原理可知，太阳电池在负载电阻由零向无穷大变化的过程中，相当于电池 p-n 结截止到导通的过程，换句话说，如果我们利用一个外电源不用可变电阻给电池的 p-n 结施加一个由负到正的电压，使得 p-n 结由充分截止连续变化到超额导通，此时和补偿法效果完全一样，可得到在三象限的伏安曲线。这就是电子负载的基本原理。4.4.3 电性能温度系数的测试电性能温度系数的测试在实际使用太阳电池时，

47、光源的光强和电池的温度，都有变化。为了将电池的电性能统一到同一状态下必须用相应的温度系数进行折算。为了获得这些系数把电池放在温度可以控制的恒温器上，调节它的光源的距离获得不同光强时对电池的照射。每固定一个光强，在温度为-50到+100的范围内，在固定的温度间隔，测一组伏安曲线，再改变一个光强同样再测一组曲线。这样求得各个光强时电池的电流密度或电压与温度函数的关系曲线。实际上不同光强和不同温度范围内电流密度或电压对温度的变化速率是不同的，因此，真正实用的温度系数是在标准测试状态附近测试的。如果各种电池或组件的标准状态是 AM1.5 光谱，光强为100mW/cm2,，电池温度为 27，那么被测电池

48、应在标准光强和标准温度（T0）下测电池的电流密度 Jsc0和电压 Voc0。然后提高温度约10，恒定后的电池温度为 T1，此时测出的电流密度和电压为 Jsc131和 Voc1；再把温度提高约 10，稳定后电池温度为 T2，此时电池的电流密度和电压分别为 Jsc2和 Voc2。则电流密度和电压的温度系数分别为 （4-27）12120101-21TTJJTTJJascscscsc （4-28）12120101-21TTVVTTVVbocococsc如果构成组件或方阵的单体电池的材料和工艺都相同，那么它的电流密度和电压的温度系数各为a=Npa （4-29）b=Nsb （4-30）式中，Np为并联的单

49、体电池数目；Ns为串联的单体电池数目。在此，精确测量电池的温度是重要的。测量电池温度一般用热电偶直接测量。4.4.4 串联电阻的测量串联电阻的测量测量串联电阻的最简单的方法是在大电流情况下，从电池的伏安曲线的斜率求出。由于串联电阻是个分布函数，它的构成比较复杂，不能简单地用一个确定的欧姆电阻来等效。在负载情况下，在最佳负载附近确定串联电阻较有实际意义。1、明暗特性曲线比较法把太阳电池的二极管正向暗特性曲线 a（见图 4-17）改变电流密度轴的方向后，再与该电池的光照负载特性曲线 b 叠合，在电压坐标轴上得到V=VR-Voc=JscRs。因为 Voc中不包含 Rs的影响，而在32测曲线 a 时，

50、当 J=Jsc，VR中包含了 JscRs，所以有 （4-31）scocRsJVVR-2、不同光强下负载曲线的比较法如果太阳电池在工作的光强下得到的负载曲线 a，而当改变光强把光强稍微降低一点后，得到电池的另一条负载曲线 b（见图4-18） 。此时在曲线 a 上最佳工作点 Pa，对应的电流密度和电压分别为 Ja和 Va。在曲线 B 上选一点 Pb，让它对应的 Jb满足下列关系：(Jsc)b-Jb=(Jsc)a-Ja换句话说，电池在两种光强照射时通过负载的改变，而让通过 p-n 结的电流不变。两种光照和负载状态下结电流不变，当然结电压也应不变：JbRs+Vb=JaRs+Va33所以 （4-32）bscsxabbaabsJJVVJJVVR)(-)(-a4.5 基区少子扩散长度和寿命的测量基区少子扩散长度和寿命的测量太阳电池的基区少子寿命，不仅关系到太阳电池的结特性反向饱和电流的大小，而且还直接影响收集光生载流子的效率，因此，测量基区少子的扩散长度或寿命就非常重要。对半导体材料的少子寿命测量方法，如光电导衰减法、扫描电镜法、电子轰击法等，在有关半导体书籍中都有阐述，这里不作介绍。由于太阳电池是一种光电转换器件，它在结构上的特点是：浅结、扩散层重掺杂和基区要有足够的厚度。所以，在测量少子寿命时，可以只考虑基区的贡献，从而