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1、中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 2 第四章太阳电池基础第四章太阳电池基础 光生载流子的浓度和电流光生载流子的浓度和电流 4 2 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 4 4 光生伏特效应光生伏特效应34 1 太阳电池的伏安特性太阳电池的伏安特性 34 3 4 5 太阳电池的效率分析 太阳电池的性能表征 太阳电池的效率分析 太阳电池的性能表征 4 6 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 3 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 10
2、26 J 相 当于每秒燃烧1 32 1016吨标准煤的能量 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 黑体 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 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 太阳的能量来源 太阳中心的热核反应 太阳的能量来源 太阳中心的热核反应 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 4 光光 波长 m 无线电波微波红 外 线 紫 外 线 可 见 光 X 射线 射线 宇宙射线 1 m 103 m 106 mm 10910 310 610 9 nm 波长 nm 106
3、10200390455 4925775976227605x1036x1034x104300 极 远远近 极 远远中近红橙黄绿蓝紫 热效应强 可加热 一 切有温度的 物体都能发 射红外线 有荧光效应 化学效应能 能辨比细小差 别 消毒杀菌 热效应强 可加热 一 切有温度的 物体都能发 射红外线 有荧光效应 化学效应能 能辨比细小差 别 消毒杀菌 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 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 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
4、一份叫做光子 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 5 辐照度辐照度 通常称为 光强 单位面积上接收电磁波辐射的功 率 常用P P表示 单位为W m2或mW cm2 光谱辐照度光谱辐照度 由波长 处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照 度 W m 2 m 1 d dP I 几个重要名词几个重要名词 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 6 在在地球大气层之外地球大气层之外 地球 地球 太阳平均距离处 太阳平均距离处 垂直垂直于太阳
5、 光方向的 于太阳 光方向的单位面积单位面积上的上的辐射功率辐射功率基本上为一常数 太阳光 谱几乎相当于 基本上为一常数 太阳光 谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱6000K的黑体辐射光谱 这个辐射强度称为 这个辐射强度称为太 阳常数 太 阳常数 或称此辐射为 或称此辐射为大气光学质量为零 AM0 大气光学质量为零 AM0 的辐射 的辐射 太阳常数太阳常数 1 353kW m2 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 7 太阳辐射透过大气层到地面的情况有两种太阳辐射透过大气层到地面的情况有两种 直接辐射直接辐射
6、 由太阳直射到地面 中途不改变方向 由太阳直射到地面 中途不改变方向 间接辐射间接辐射 是经过大气吸收 散射或经地面反射而改变方 向的辐射 是经过大气吸收 散射或经地面反射而改变方 向的辐射 直接辐射和间接辐射之和称为直接辐射和间接辐射之和称为太阳总辐射量太阳总辐射量 2 s 1359 5760 mWKP 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 太阳常数太阳常数 为 实测值 1353 W m2 太阳常数太阳常数 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 8 大气质量的定义大气质
7、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 时 大气光学质量为 AM 1 cos Earth AM0 AM1 AM1 5 大气层大气层 头顶上方头顶上方 太阳仰角太阳仰角90 60 48 2 30 14 5 8 3 5 7 大气质量 大气质量AM1 0AM1 2AM1 5AM2 0AM4 0AM7 0AM10 典型的地球典型的地球 太阳仰角的对应关系太阳仰角的对应关系 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 在无法知道 值的情况下 如何 估算大气光学质量AM 在无法知道 值的情况下 如何
8、估算大气光学质量AM 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 9 波长波长 m 光谱辐照度光谱辐照度 Wm 2 m 1 AM0辐射辐射 AM1 5辐射辐射 6000K黑体黑体 AM0的辐射光谱分布不同 于理想黑体的光谱分布 把太阳辐射看做5760K的黑体辐射 由 得太阳表面的辐照度 AM0的辐射光谱分布不同 于理想黑体的光谱分布 把太阳辐射看做5760K的黑体辐射 由 得太阳表面的辐照度 4 sun sssurf TP 2 sun 2 63mMWP surf 斯特潘玻尔兹曼定律斯特潘玻尔兹曼定律 4 5 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体
9、研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 10 大气的组成大气的组成可以分为三个部分 一是固定气体一是固定气体 包括氮 氧 氩 氪 氢 氖 氦等气体 二是变动气体二是变动气体 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 影响地球表面太阳辐射的各种因素影响地球表面太阳辐射的各种因素 造成衰减的原因 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 1 瑞利散射或大气中的分子引起的散 射 2 悬
10、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 太阳电池的测试技术太阳电池的测试技术 太阳辐射太阳辐射 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 11 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 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 4 5 太阳能电池测试太阳能电池测试 伏安特性曲线伏安特性曲线 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 中国
11、科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 12 地面用太阳能电池国际标准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 太阳能电池测试太阳能电池测试
12、 伏安特性曲线伏安特性曲线 测试条件测试条件 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 13 稳态太阳模拟器 脉冲式太阳模拟器稳态太阳模拟器 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 照度稳定不变 连续照射 稳定 标准太阳光 光学 供电系 统复杂庞大 制造小面积小面积 太阳模拟器 脉冲毫秒量级脉冲发 光 瞬间功率大采集系统复杂大面积大面积测量 太阳模拟器分类太阳模拟器分类 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 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AM1 5滤波片 准直
13、 透镜等几部分组成 准直 透镜等几部分组成 4 5 太阳能电池测试太阳能电池测试 伏安特性曲线伏安特性曲线 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 14 模拟器光源模拟器光源 电光源结构特征缺点备注 卤光灯 卤光灯 加水膜 光谱和日光差别大 红外线含量大 紫外 线含量少 色温2300K 3cm水膜滤除部分 红外线 无法补充 紫外线 简易型 冷光灯 卤钨灯 加介质 膜 反射镜对红外线透明 其他光线反射 色温 3400K 灯寿命短 50H简易型 氙灯 氙灯加 滤光片 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
14、精密太阳 能模拟器 脉冲氙 灯 脉冲氙 灯 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 4 5 太阳能电池测试太阳能电池测试 伏安特性曲线伏安特性曲线 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 15 辐照不均匀度的检测辐照不均匀度的检测 辐照不均匀度 最大辐照度 最小辐照度 最大辐照度 最小辐照度 100 辐照不稳定度的检测辐照不稳定度的检测 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 不同点的辐照度而言 测试平面上同一点的辐照度随时间改变时 光谱失配光谱失配 4 5 太阳能电池测试太阳能电池测试 伏安特性曲线伏安特性曲线 中国科学院半导体研究所
15、张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 16 模拟器产生光谱与AM1 5G的差异 光谱失配光谱失配 标准太阳电池用于校准测试 光源的辐射照度 标准太阳电池用于校准测试 光源的辐射照度 4 5 太阳能电池测试太阳能电池测试 伏安特性曲线伏安特性曲线 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 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 17 不能选用光幅度计简单测试光强 光谱必须考虑不能选用光幅度计简单测试光强 光谱必须考虑 由于太
16、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 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 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KG 5滤光的Si电池作为标准电池进行太阳 光谱的校准 光谱失配光谱失配 光谱
