太阳电池伏安特性测试简介

在第1章中我们知道，世界各地太阳辐照度各不相同，为了实现全球太阳电池辐照度的统一，国际电工委员会（IEC）首先对标准测试条件和标准太阳光谱辐照度进行了规定：大气质量AM1.5、太阳辐照度P_s=1000W/m²、环境温度T_a=25℃±1℃^[7]。而且IEC每5年会定期为标准太阳光谱辐照度数据进行更新，并且采用标准参考电池校订的方式。这些标准起到了统一量值，促进产品质量提高的作用。

1.太阳电池的伏安特性测试原理

目前，业内通用测量方式采用模拟光源和参考电池的方式进行测试，即业内认可的计量单位在标准光照条件下标定参考电池，然后待测电池的性能可与参考电池测定相比较得出。参考电池和待测电池必须满足以下两个条件^[18]：

1）在特定范围内，参考电池和待测电池对不同波长光的响应必须一致。要求参考电池和待测电池由同种半导体材料组成，相似的结构和生产工艺。

2）在特定范围内，模拟光源的光谱成分接近标准光源的光谱成分。模拟光源可以是自然阳光（对云、大气质量和光强变化率有一定限制）或者带有适当滤光片的氙灯，光源必须能在测试平面上射出强度均匀的平行光束，在测试过程中稳定。

太阳电池伏安特性测试的原理如下：首先，选取合适的太阳模拟器作为测试电池的光源。光源的选择很重要，一般要与标准条件下太阳光谱（AM0或AM1.5）一致。其次，选取阻值可变的负载电阻，通过改变负载R的阻值（从∞→0的范围），同时用两个独立的测试线路分别测量光照条件下太阳电池的输出电压V和输出电流I（通过取样电阻测得），就可以得到太阳电池的I-V特性曲线。最后通过I-V曲线就可以得到太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率等特征参数。

2.影响太阳电池伏安特性曲线的因素

（1）辐照度的影响

根据式（6.48）可知太阳电池短路电流J_sc与入射光子通量为线性关系。因此，J_sc与辐照度的强弱呈线性关系。现设定聚光比为x，聚光太阳电池的电流-电压关系为

J_con=xJ_sc-J_dark （6.65）

因为有式（6.56），所以聚光太阳电池的开路电压为

它随着聚光比增加而呈对数形式增加。

将聚光太阳电池的效率表示为^[19，20]

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根据式（6.67）可知，理想聚光太阳电池的光电转换效率η随着聚光比x的增加呈现近似对数形式的上升。但是对于真实的太阳电池而言，由于聚光比x的增加，更多的光生载流子产生，同时也伴随着复合的显著上升。因此聚光太阳电池的光电转换效率η不可能一直增大。

为了得到最大的转换效率，则

可以求得最大聚光比x_max和最大η_max。也就是说，当聚光比小于x_max时，效率η随着聚光比x的增加而增大；当聚光比x大于x_max，效率η随着聚光比x的增加而减小；当聚光比为x_max，转换效率取最大值η_max。图6.11所示为2001年美国Spectrolab公司报道的GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池光电转换效率随聚光倍数的变化关系（AM0光辐照，47倍聚光条件下，效率达到32.3%）^[21]。

图6.11 GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池η随x的变化曲线

（2）温度的影响

温度也会对太阳电池的伏安特性曲线产生显著的影响。由式（3.40）可知，温度T升高，本征载流子浓度n_i呈指数形式升高。又因为

所以J₀增加更为显著。由式（6.56）可知，温度升高，开路电压下降显著。

同时，温度升高，带隙E_g将会略微减小，这就意味着吸收边略微增加，即入射到太阳电池上的光子通量略微增加，J_sc会略有上升。但是相对而言，J_sc增加的程度比没有V_oc减小的程度大。

图6.12 GaAs和Si太阳电池归一化效率与温度的变化关系

综上，太阳电池的效率随温度的升高而下降，主要原因是电池的开路电压随温度的升高而下降；电池的短路电流则对温度不敏感，且随温度升高还略有上升^[7]。图6.12所示为GaAs太阳电池和Si太阳电池相对于20℃时的归一化效率随温度的变化关系曲线^[22]。在较宽的温度范围内，电池效率随温度的变化近似为线性关系，GaAs太阳电池效率的温度系数约为-0.23%/℃，而Si太阳电池的温度系数约为-0.48%/℃。因此，GaAs太阳电池效率随温度的升高降低比较缓慢，可以在更高的温度范围内工作。