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.docx
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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
分数：
评卷人：
率屮糾技北茅
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）
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（MonocrystallineSilicon）、多晶硅（PolycrystallineSilicon）、非晶硅（AmorphousSilicon）。
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
（CadmiumTellurideCdTe）、铜铟硒化物（CopperIndiumSelenideCIS、铜铟傢硒化物（CopperIndiumGalliumSelenideCIGS）、砷化傢。
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）o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II,又有与Il方向相反的正向电流If。
在稳定光照下，开路的PN结内Il=If,,形成稳定的光生电压Voc。
短路情况下，If=0，光生电流Il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^cm2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
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
p-n
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
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Il,Rl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Il，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Ir。
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Rs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Rsh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Eg太小的话相应能产生的光电动
势又会比较小。
反之，Eg大的半导体，虽然Voc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Voc随Eg的增大而增大，但另一方面，短路电流密度Jsc随Eg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对各种不同波长入的光的吸收系数a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：
Voc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。
hi?
（eV）
图3半导体GaAs和Si对各种不同波长入的光的吸收系数a
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,
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,
入］⑷竺0（枷
这样我们得到光电流密度为
'其中lo（入）是阳光中波长为入，带宽
为d入的入射光子数。
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
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。
负载电流丨二■一々，其中I：
一j讥1■，A是PN结质量因子;
当R=0时，V=0，IF=0，得ISC=IL;
4^"TI当只=时，1=0,IF=IL=ISC，电池开路，此时得到开路电压-
q妇
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
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
@!
1!
R
11
o6
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，Vab=O,电池取样电阻支路1=0,V=Voc；
当Va>Vb，电池支路正偏，I=Il-If<0,I-V曲线进入第四象限；
当VavVb，电池支路反偏，I=Il-If逐渐增大，
当Vab的反向电压刚好等于取样电阻R上的电压时，PN结零偏。
If=0，1=If=ISC，称为短路电流；当Vab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100Onm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
子电压表e.函数记录仪（X接电压，丫接电流）
图8太阳电池I-V特性测试实验电路图
10CJL
20-
尢阳电迪的工柞范围
nj/|||j；t\I.
0.30-50.1a9L1
波长（PB）
图9各种模拟光源的光谱、光强的比较
丄•空气质量为零（AMO）时的太阳光谱曲线占没有滤光层的鸨灯光谱曲钱
已带3师厚硫釀铜水溶液滤光层的鸨灯光谱曲线
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。
实验中借助于“标准”电池调节光源电压或调节硫酸铜水溶液的量，使其模拟太阳光为AM1.5的光谱照度或其它所需照度。
AM1.5是指大气质量为1.5。
它是表征太阳实际辐照条件的量。
因为大气层中存在大量的水蒸气、二氧化碳、氧气、臭氧和尘埃，当太阳光通过大气层时，它们将对太阳辐射产生吸收、散射或反射，使太阳的辐照度被削弱。
其削弱的程度与太阳光通过大气层的距离有关。
对于同样的大气层厚度，太阳光直射和斜射通过大气层的距离是不相同的。
故用大气质量（AM），即太阳光斜射通过大气层的距离与太阳光直射通过大气层的距离之比，来表征太阳的实际辐照条件。
七、实验步骤，现象及问题分析
1.太阳能光谱
打开光源稳流稳压源（已选钨灯。
其他无需打开）。
将太阳电池样品夹于暗室内，处于光路中，外接微安表；让波长（转动旋钮1）为
500-600nm的范围，使光斑正射于电池上。
现象：
微安表指针偏转，产生光电流
问题分析：
微安表指针反转，这时由于电极反接了，应及时换接电极。
（用电流表判断电池极性）选择适当的狭缝宽度。
一般短波段选较大狭缝，长波段选较小狭缝。
方法为：
将波长鼓轮旋到1000nm处，然后调节狭缝旋钮，使微安表指针至80uA或稍大。
从波长400nm开始，以25nm间隔，改变波长。
现象：
微安表示数先增大后减小选定波长后，即可读出对应的微安Jsc值。
记录选定狭缝下的波长及Jsc。
由狭缝、波长值，查表并记录各单色光光能量值。
上机做数据处理。
问题分析：
最后数据处理时出现Ln=NaNum的错误，这是由于400nm和425nm的电流数据很小是正常的，但是不应该是0，而如果两个都是零的时候，系统会把线性区间定位400nm-425nm,这时Ln、Sn就无法求解。
2.太阳能电池
准备
a）将太阳能电池放在工作台上,已放置好（不要用手模电池）
b）把X轴,Y轴旋至短路档,打开函数记录仪,分别旋动两个调零旋钮,定原点。
落笔画出X、Y轴,抬笔回原点,然后关闭函数记录仪电源。
c）选量程,X调至50mV/cm档,Y调至5mV/cm档
d）打开各部分电源,把仪器的相关控制钮调至正确位置。
（温控器风扇选“开”；DC稳压电流调为5V;测试控制仪选择“补偿法”）
测试Voc及Isc（强，弱光）
a）把控光稳压电源慢慢调至8A（AM1.5）；
b）把测试控制仪旋至Voc档，在DC电压表上读出Voc值；
c）把测试控制仪旋至Isc档，在测试控制仪电流表上读出Isc
画出不同光强下三条I—V特性曲线
a）将测试控制仪调至I-V档，先在函数记录仪抬笔状态下，调节测试控制仪上可变电阻，
试画曲线，在合适位置落笔，画出完整曲线。
（曲线画完将可变电阻调到3—7点处）
b）调节控光稳压器电流，减弱光强使丫轴小于原光强约1cm（抬笔调可变电阻）。
重复a步骤的操作，画出曲线。
（曲线画完将可变电阻调到3—7点处）
c）调节光控稳压器至最低，将其关闭。
把黑布小心的覆盖在电池上，将电池避光，把记录仪丫轴的两线交换，然后再重复a步操作，画出曲线。
d）画好曲线后，将可变电阻调到3—7点处，再关记录仪电源、灯源，避免记录仪碰撞。
问题分析：
1.画曲线过程中可能发现曲线是杂乱的，虽然多描几次图形趋势还是比较
正确的但是图形杂乱。
这是由于太阳能电池放置太久，损耗很大，表面不规则，光电流不稳定所致。
2.在画暗电流时，一直是直线。
检查一下发现丫轴两线忘记交换了，而暗电流是第四象限曲线，所以需要反方向转动调节控光稳压器电流旋钮，使其绘制到第一象限。
3.实验开始时，电流表大小一直不正确。
后来发现这是由于实验设备线有些虚接。
当重新接一下引线后，电流显示正常。
说明设备的导线也有些老化。
八、实验数据处理与分析
1.太阳能光谱
a）测Ln:
表1“pn结光生伏特效应光谱特性研究”测量Ln数据表
序号
波长/nm
电流/uA
功率/uW
Qq（入）
1/Qq（入）
a（入）/um-1
1/a（入）/um
1
400
0.5
8.55
0.181259
5.516976
1.948636
0.51318
2
425
1
16.09
0.181305
5.515565
1.595325
0.626831
3「
450
2
27.5
0.200373
4.990686
1.312792「
0.761735:
4
475
4
56.4
0.185115
5.402039
1.084689
0.921923
5
500
6.5
102.6
0.157091
6.365742
0.899003
1.112343
6:
525
「10.5:
153.4
0.161644
6.186434
0.746765:
1.339109:
7
550
16
200
0.180336
5.545206
0.621182
1.609835
8
575
22
261
0.181748
5.502128
0.51704
1.934084
9:
600
32.5
352
0.190785
5.2415
0.430297「
2.323978「
10
625
39.5
484
0.161892
6.176939
0.357777
2.795037
11
650
45
618
0.138888
7.20003
0.296969
3.367355
12:
675
53
754
0.129109
7.745407
0.245865「
4.067272:
13
700
59
884
0.118211
8.459473
0.202848
4.929791
14
725
67
993
0.115383
8.666774
0.166607
6.002143
151
750
75
1121
0.110599
9.041711
0.13607丁
7.349169丁
16
775
78
1202
0.103811
9.632889
0.110355
9.061642
17
800
80
1289
0.096184
10.396758
0.088735
11.269514
18:
825
81
1405
0.086638
11.542244
0.070603「
14.163686:
19n
850
79
1521
0.075759
13.19976
0.055453[
18.033165:
20
875
75
1639
0.064838
15.423067
0.042861
23.331364
21「
900
70
1713
0.056293
17.764248
0.032467:
30.800765「
22
925
61
1751
0.046694
21.416231
0.023968
41.722841
23
950
47
1717
0.035724
27.992459
0.017106
58.460515
24「
975
43
1615
0.033857
29.536137
0.01166
85.762086
25
1000
34
1501
0.028084
35.607934
0.007443
134.354427
选取的狭缝宽度为1.70mm线性区域的波长范围是700nm〜950nm,Ln=
17.600874um
b）测Sn：
利用1）中的线性范围，算出Sn结果如下:
表2“pn结光生伏特效应光谱特性研究”测量Sn数据表
I
入/nm
Sn/um
13
700
-19885.376
14
725
-19885.376
15
750
-19885.376
16
775
-19885.376
17
800
-19885.376
18
825
-19885.376
19
850
-19885.376
20
875
-19885.376
21
900
-19885.376
22
925
-19885.376
23
950
-19885.376
表3“pn结光生伏特效应光谱特性研究”测量Sp数据表
1
入/nm
Sp/um
1
400
-606425.484
2
425
1369171.801
3
450
111774.679
4
475
74281.191
5
500
77315.055
6
525
25855.356
7
550
-4594.385
8
575
-14744.836
C）实验曲线:
在稳定光照下，开路的PN结内Il=If,,形成稳定的光生电压Voc,短路情况下，If=0，光生电流Il全部流经外电路。
光谱响应是表示不同波长的光产生电子空穴对的能力。
太阳能电池的光谱响应就是某一波长的光照射到PN结表面时，每一光子平均所能收集的载流子数。
等量子光谱响应Qq（）表示波长为的一个光子入射到电池上所收集到的平均光电子数。
从表中数据可以看出，从400nm-1000nm,随着波长的增大，响应Qq（）逐渐减小，吸收数减縣逐渐减小，1/Qq（）与1A'之间的曲线如图10所示。
*1/Qq（入）〜1/a（入）图
图101/Qq（入）〜1/a（入）图
2.太阳能电池
3.
图11实验所得I-V曲线
根据曲线及数据和公式计算并分析太阳电池6个重要参数。
a）最大输出功率和最佳负载
在AM1.5的曲线上，根据各点的|心乘积值最大，得Vm=0.33V,lm=65mA,所以
九二叮=e&mA=5080，4=4=65恥X033卩=21.45w
b）填充因子
R,21ASmw
FF=—==0479
V'lM0.533VX84?
zU
c）光转换效率
d）串联电阻RS
⑴Pa（0.33,65）Pb（0.311,56）即Va=-0.33V,Vb=-0.311V
e）反向饱和电流I0
-（^OC）b
f）PN结质量因子A
AKaT
由于
九、实验小结
本实验的实验系统相对简单，操作步骤也简单明确。
光生伏特的实验中的要点有：
需要预热光源；当微安表指针反转时调换电极；选择合适的狭缝宽度。
由于实验操作比较简单，实验数据也是由软件操作完成的，但是数据背后的理论知识很多，需要仔细地分析数据背后的理论知识。
理论分析需要本科学的半导体知识，通过本次实验，对本科的知识有了更好的理解。
而在负载特性的实验中，测试暗电流时在记录仪上找不到图像，是因为是在第四象限，不能在图中显示，此时需要反方向转动调节控光稳压器电流旋钮，在测试暗电流时需要将光源用黑布挡住。
实验中保证钨灯垂直入射光电池，调零旋钮选好后保持不变实验中由于样品使用时间很长，所以样品质量受损，实验所得的曲线和理论的曲线相差很大。
实验也完成了受损的曲线，分析了受损的原因。
最后是用的老师给的曲线数据进行分析的，通过数据处理分析，明白了太阳能
电池的原理、实际应用、学会了用不同的参数来分析太阳能电池的性能，对以后实际应用提供了理论基础。
本次实验复习了本科所学知识与所做实验，最主要的是在再次实验过程中更深刻的体会到了实验的目的与意义。
对于实验来说，过程要比结果更为重要，无论错误还是正确的结果都可以做数据分析，
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