CN101266170A - 测量多结光伏电池量子效率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能的电利用技术领域，涉及一种测量多结光伏电池量子效率的方法和设备。测量方法是分别用红色LED和蓝色LED作为色光偏置照在被测的多结光伏电池上，用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，测量前、后结的量子效率。测量设备由计算机、单色仪、锁相放大器、LED驱动电路和接在驱动电路中的红色LED与蓝色LED组成，将被测多结光伏电池的输出电信号由锁相放大器放大后送入计算机，由计算机控制单色仪和LED驱动电路。本发明所提供的测量方法和设备有效地解决了测量多结光伏电池中的单结量子效率的问题。

Description

测量多结光伏电池量子效率的方法和设备
技术领域
本发明属于太阳能的电利用技术领域，涉及一种测量多结光伏电池量子效率的方法和设备。
技术背景
为提高光伏电池的光电转换效率，充分地利用太阳辐射能，采用多结型光伏电池是一种行之有效的途径。一般以高能隙半导体材料作为光进入的前结来吸收短波段太阳光谱并增加其开路电压，而以低能隙半导体材料作为后结来增强对太阳光谱中长波段的吸收，从而增强光电流。在双结非晶硅半导体光伏电池中，人们有时也应用同能隙材料做前、后结，减半各单结电池中的光电流(同时产生双倍的开路电压)来降低非晶硅材料的光衰变特性，从而提高稳定的光电转换效率。
在多结结构的光伏电池中，各结以串联方法相连接，因此总输出光电流是受制于光电流最小的那一结，即电流限制结。为使总输出光电流最大，各结产生的光电流应达到平衡。而每一级输出的光电流密度是该结的量子效率和太阳光谱的卷积。所以测量构成多结光伏电池的各单结量子效率在多结结构的光伏电池生产控制中是非常重要的，但在多结光伏电池中各结以串联方法相连接，现有的测量方法和测量设备只能对整体光伏电池的量子效率进行测量，尚没有一种可以有效测量多结光伏电池中各单结量子效率的方法和设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量多结光伏电池中量子效率的方法和设备，可以有效测量多结光伏电池中的单结量子效率。
本发明提供的测量多结光伏电池量子效率的方法是：将被测多结光伏电池放在由单色仪产生单色光的光路上，用红色发光二极管作为色光偏置照在被测的多结光伏电池上，用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，测量前结的量子效率，再用蓝色发光二极管作为色光偏置照在被测的多结光伏电池上，用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，测量后结的量子效率，测量时使被测多结光伏电池处于正向偏压，使处于负电压偏置状态下的被测量结(即电流限制结)回到总电压偏置为零的状态。
本发明提供了实施上述方法的测量设备，该测量设备由计算机、单色仪、锁相放大器组成，将被测多结光伏电池的输出接锁相放大器的信号输入端，锁相放大器的输出送入计算机，计算机控制单色仪的工作，其特点是设备上还有由计算机控制的色光偏置驱动电路和接在驱动电路中的红色与蓝色发光二极管。
本发明提供的测量多结光伏电池量子效率的方法，首先用红色发光二极管作为偏置光照在被测的多结光伏电池上，造成电池的前结为电流限制结，此时用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，即可测得前结的量子效率QE前(λ)。再以蓝色发光二极管作为偏置光，造成后结电池为电流限制结，再用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，就可得到后结的量子效率QE后(λ)。然后分别按下式计算前后结的光电流密度：
JSC前＝∫QE前(λ)σ(λ)dλ
JSC后＝∫QE后(λ)σ(λ)dλ
其中σ(λ)是标准太阳光谱。
因为在多结结构的光伏电池中，各结以串联方法相连接，因此总输出光电流密度是受制于光电流最小的那一结，即电流限制结。测量时使被测多结光伏电池处于正向偏压，使处于负电压偏置状态下的被测量结(即电流限制结)回到总电压偏置为零的状态，有效地去除了扩散电流的影响，保证了测量结果的正确。
本发明提供了实施上述方法的测量设备，该测量设备的全部测量过程由计算机控制。将装有被测多结光伏电池的样品架，放置在单色仪的光路上，由单色仪发射的单色光应覆盖被测电池的表面。由计算机向单色仪发出启动信号，单色仪启动的同时计算机向色光偏置驱动电路发出驱动信号，首先点亮红色发光二极管，红色发光二极管发出的红光照在被测光伏电池表面，此时单色仪按太阳光谱进行全波段扫描，被测光伏电池产生的电信号经锁相放大器放大后送入计算机，由计算机在程序的控制下进行数据处理，并绘制前结量子效率的光谱响应曲线和计算前结的短路电流密度；当此次全波段扫描结束时，由计算机向色光偏置驱动电路发出控制信号，熄灭红色发光二极管，点亮蓝色发光二极管，蓝色发光二极管发出的蓝光照在被测光伏电池表面，此时单色仪再次按太阳光谱进行全波段扫描，被测光伏电池产生的电信号经锁相放大器放大后送入计算机，由计算机在程序的控制下进行数据处理，并绘制后结量子效率的光谱响应曲线和计算后结的短路电流密度。
本发明提供了一种测量多结光伏电池中量子效率的方法，巧妙地利用了“在多结结构的光伏电池中，各结以串联方法相连接，因此总输出光电流是受制于光电流最小的那一结，即电流限制结”的特点，分别利用红色和蓝色发光二极管做色光偏置，用单色光进行全波段扫描，红色发光二极管做色光偏置时，造成前结为电流限制结，测多结光伏电池的前结量子效率；蓝色发光二极管做色光偏置时，造成后结为电流限制结，测多结光伏电池的后结量子效率，本发明提供了一种有效测量多结光伏电池中的单结量子效率的方法。解决了现有的测量方法只能对整体光伏电池的量子效率进行测量，尚没有一种可以有效测量各单结的量子效率方法的问题。
本发明所提供的实施这种测量方法的设备，在原有测量整体光伏电池量子效率设备的基础上，增加了由计算机控制的色光偏置驱动电路和接在驱动电路中的红色与蓝色发光二极管。采用红色和蓝色发光二极管作色光偏置，发光二极管电光转换效率高，只需消耗几十毫安的电流，就可产生足够的光强，形成色光限制结；使用发光二极管所需的驱动电路简单，发光二极管小巧、轻便，十分容易直接安装在被测光伏电池前端，而不挡住单色探测光，发光二极管具有单色性好、使用寿命长的优点，该测量设备有效地解决了现有测量设备只能测量整体多结光伏电池的量子效率，无法测量多结光伏电池的单结量子效率的问题，本发明所提供的测量设备采用发光二极管作为辅助光源提供色光偏置，从而获得多结型光伏电池中单结的量子效率，进而指导工艺优化的方向，平衡诸单结的电流，最终达到提高多结型光伏电池的光电转换效率的目的。
附图说明
图1为实施本发明所提供的测量多结光伏电池量子效率方法的测量设备结构示意图；
图2为色光偏置驱动电路一个实施例的电路图；
图3为用本发明所提供的的测量多结光伏电池量子效率方法和测量设备测量光伏电池前结和后结量子效率的光谱响应图。
图1、图2中：1、计算机，2、单色仪，3、锁相放大器，4、色光偏置驱动电路，5、被测光伏电池，6、样品架，LED1：红色发光二极管，LED2：蓝色发光二极管，R1、R2：电阻，VT1、VT2：场效应管。图3中：I：前结量子效率的光谱响应曲线，II：后结量子效率的光谱响应曲线，III：前、后结量子效率和的光谱响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的实施。图1为实施本发明所提供的测量多结光伏电池量子效率方法的测量设备结构示意图。由图可知：实施本发明所提供的测量多结光伏电池量子效率方法的测量设备由计算机1，单色仪2，锁相放大器3，色光偏置驱动电路4，红色、蓝色发光二极管LED1、LED2组成。将装有被测多结光伏电池5的样品架6，放置在单色仪2的光路上，由单色仪2发射的单色光应覆盖被测多结光伏电池5的表面。将被测多结光伏电池5的输出接锁相放大器3的信号输入端，锁相放大器3的输出送入计算机1，计算机控制单色仪2和色光偏置驱动电路4的工作。图2为色光偏置驱动电路4一个实施例的电路图。由图可知：由两只场效应管VT1、VT2和两只限流电阻R1、R2构成驱动电路的两个分支，红、蓝色发光二极管LED1、LED2接在驱动电路两个分支上，由限流电阻R1接低压电源后依次接红色发光二极管LED1和场效应管VT1构成驱动电路的一个分支；由限流电阻R2接低压电源后依次接蓝色发光二极管LED2和场效应管VT2串接构成驱动电路的另一个分支，场效应管VT1、VT2的栅极接计算机的串口。下面简单说明本发明所提供测量多结光伏电池量子效率的测量设备的工作过程。当计算机向单色仪发出启动信号的同时计算机向色光偏置驱动电路4发出驱动信号，首先在程序的控制下接通计算机的串口和场效应管VT1的栅极，由计算机的串口向场效应管VT1的栅极发送5V的电平信号，场效应管VT1导通点亮红色发光二极管LED1，发出的红光照在被测光伏电池表面，此时单色仪按太阳光谱进行全波段扫描，被测光伏电池产生的电信号由经锁相放大器放大后送入计算机，由计算机在程序的控制下进行数据处理，并绘制前结量子效率的光谱响应曲线和计算前结的短路电流密度；当此次全波段扫描结束时，由计算机在程序的控制下切断计算机的串口和场效应管VT1栅极的通道，熄灭红色发光二极管LED1，在程序的控制下接通计算机的串口和场效应管VT2的栅极，由计算机的串口向场效应管VT2的栅极发送5V的电平信号，场效应管VT2导通点亮蓝色发光二极管LED2，发出的蓝光照在被测光伏电池表面，此时单色仪再次按太阳光谱进行全波段扫描，被测光伏电池产生的电信号经锁相放大器放大后送入计算机，由计算机在程序的控制下进行数据处理，并绘制后结量子效率的光谱响应曲线和计算后结的短路电流。整个测量过程都应使被测多结光伏电池处于正向偏压，使处于负电压偏置状态下的被测量结(即电流限制结)回到总电压偏置为零的状态。该实施例色光偏置驱动电路中的场效应管VT1、VT2采用IRF530。图3为用本发明所提供的测量多结光伏电池量子效率设备测量光伏电池前结和后结量子效率的光谱响应图，其中：曲线I为前结量子效率的光谱响应曲线，曲线II为后结量子效率的光谱响应曲线，曲线III为前、后结量子效率和的光谱响应曲线。此次测量前结的光电流密度JSC1＝5.38mA/m2，后结的光电流密度JSC2＝6.43mA/m2。此测量数据表示多结光伏电池的前、后结电流不平衡，还需进行工艺调整平衡诸单结的电流，最终达到提高多结型光伏电池的光电转换效率的目的。

Claims (2)

1、一种测量多结光伏电池量子效率的方法，其特征是将被测多结光伏电池放在由单色仪产生单色光的光路上，用红色发光二极管作为色光偏置照在被测的多结光伏电池上，用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，测量前结的量子效率，再用蓝色发光二极管作为色光偏置照在被测的多结光伏电池上，用单色光做探测光，进行太阳光谱的全波段扫描，测量后结的量子效率，测量时使被测多结光伏电池处于正向偏压，使处于负电压偏置状态下的被测量结回到总电压偏置为零的状态。
2、一种测量多结光伏电池量子效率的设备，由计算机、单色仪、锁相放大器组成，将被测多结光伏电池的输出接锁相放大器的信号输入端，锁相放大器的输出送入计算机，计算机控制单色仪的工作，其特征是设备上还有由计算机控制的色光偏置驱动电路和接在驱动电路中的红色与蓝色发光二极管。
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