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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34.34.5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：1.5107 K日冕层温度：5106 K质量：1.9891030 kg太阳每秒释放的能量：3.8651026 J，相 当于每秒燃烧1.321016吨标准煤的
2、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1m103m106mm10910-310-610-9nm波长 / nm10610200390455 4925775976227605x1036x1034x104
3、300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
4、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，Wm-2m-1 。ddPI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 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
5、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/m24.5 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：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
6、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
7、质量为：AM=1/cos EarthAM0AM1AM1.5大气层大气层 头顶上方头顶上方太阳仰角太阳仰角906048.23014.58.35.7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 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60
8、00K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_sssurfTP2 sun_/2.63mMWPsurf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、
9、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
10、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252oC,光源的光谱 辐照度1000W/m2,并具有标准的A
11、M1.5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251oC,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-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
12、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 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
13、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
14、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
15、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
16、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校准和标准电池的选取光谱校准和标准电池的选取4.5 太阳能电池测试太阳能电池测试-伏安特性曲
