CN104111387A - 硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法及电路，测量方法包括如下步骤：将硅太阳能电池完全遮蔽，并施加正向阶跃端电压；得到硅太阳能电池二极管电流的阶跃响应波形；从上述波形中测得二极管电流从峰值衰减到稳态值的时间，并将该时间除以2.3，即得到硅太阳能电池的少数载流子寿命。测量电路由硅太阳能电池与电流传感器、开关和超级电容串联组成。本发明相对于现有技术中的测量方法，具有测试设备简单、实施方便、测量准确等优点。

Description

硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法及电路

技术领域

本发明涉及一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法及测量电路，具体涉及一种基于正向阶跃端电压下硅太阳能电池二极管电流的阶跃响应波形，测量硅太阳能电池少数载流子寿命的方法及电路。

背景技术

少数载流子寿命是决定太阳能电池光电转换效率的重要参数之一，其对太阳能电池的非线性等效电容、小信号输出阻抗也有很大的影响。因此，简便、准确地测量少数载流子寿命对评估太阳能电池的性能，研究光伏发电系统的稳定性至关重要。

近年来，学者们提出了硅太阳能电池少数载流子寿命的多种测量方法。国外一些文献中提出的光电导衰减法可以快速、非接触式、在线检测原始硅材料的少数载流子寿命，但是对成品硅太阳能电池无能为力；基于I-V曲线可以测量成品硅太阳能电池的少数载流子寿命，但其前提是首先精确测定硅太阳能电池的寄生电阻R_s、R_sh，而这是很难做到的；开路电压衰减法具有原理简单、易于操作等优点，因此得到各国研究人员的青睐，但是该方法需要从开路电压阶跃响应曲线中准确地分割出线性部分，并通过求出该部分的斜率来确定少数载流子寿命，因此误差较大。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种测试设备简单、实施方便、测量准确的硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法及电路。

技术方案：本发明所述的一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法，包括如下步骤：

(A)在硅太阳能电池两端施加正向阶跃端电压；

(B)得到硅太阳能电池二极管电流的阶跃响应波形；

(C)从上述波形中测得二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间，并将该时间除以2.3，即得到硅太阳能电池少数载流子寿命。

本发明还公开了一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量电路，所述测量电路由硅太阳能电池与电流传感器、开关和超级电容串联组成。

本发明的测量原理如下：

如图1所示的硅太阳能电池的物理模型，在PN结交界面处N区一侧带正电荷，P区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场的方向自N区指向P区，N区为顶区、P区为基区。太阳能电池的顶区一般做得很薄，且材料的吸收系数很小，因此可以忽略顶区和空间电荷区的光吸收，而认为光吸收只发生在基区，即硅太阳能电池的光生电流为P区光生电流。

没有光照时，P区过剩少数载流子浓度δn_p(x)的动态连续方程：

$\frac{\∂\mathrm{\δn}(x,t)}{\∂t}=D_n\frac{{\∂}^2\mathrm{\δn}(x,t)}{{\∂x}^2}-\frac{\mathrm{\δn}(x,t)}{{\mathrm{\τ}}_n}---\left(1\right)$

解得：

$\mathrm{\δn}(x,t)=n_{p0}(e^{\frac{U_D}{U_T}}-1)\left\{e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_n}}\mathrm{erfc}\right[\frac{(x-x_p)\sqrt{{\mathrm{\τ}}_n}}{2L_n\sqrt{t}}]+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n}{{\∫}_0^{t}e}^{-\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_n}}\mathrm{d\τ}-\frac{2}{{\mathrm{\τ}}_n\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^t{e}^{-\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_n}}\mathrm{d\τ}{\∫}_0^{\frac{(x-x_p)\sqrt{{\mathrm{\τ}}_n}}{2L_n\sqrt{\mathrm{\τ}}}}{e}^{-{\mathrm{\η}}^2\mathrm{d\η}}\}---\left(2\right)$

式中，n_ρ0为P区的平衡少子浓度，D_n为电子扩散系数，τ_n为基区少数载流子的寿命；为电子的扩散长度；U_T＝K_BT/q为热电压，U_D为正向偏压。

当光照强度为0时，硅太阳能电池的光电流为0，此时，若在硅太阳能电池的输出端施加阶跃电压u_D(t)，则输入电流为硅太阳能电池的二极管电流，其表达式为：

$i_D\left(t\right)=-\mathrm{qA}{D}_n\frac{{\∂\mathrm{\δn}}_p(x,t)}{\∂x}{|}_{x=x_p}=I_D\{\frac{\sqrt{{\mathrm{\τ}}_n}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{t}^{-\frac{1}{2}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_n}}+\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_n}}\right)-1\}+I_D=i_C\left(t\right)+I_D---\left(3\right)$

由式(3)可得输入电压突变时硅太阳能电池的二极管电流阶跃响应曲线，如图2所示。可以看出，施加正向阶跃电压后，产生了很大的二极管电流，该电流经过约2.3τ_n时间达到稳态。因此，可以通过测量硅太阳能电池的二极管电流阶跃响应波形的衰减时间来间接测定硅太阳能电池的少数载流子寿命。

由式(3)和图2可知，端电压阶跃变化时，硅太阳能电池的二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间大致为少数载流寿命的2.3倍。为了验证上述结论的准确性，将使用Saber仿真软件进行仿真验证，可得出端电压阶跃变化时，少数载流子寿命分别为1us、10us、100us的硅太阳能电池片的二极管电流阶跃响应仿真波形，分别如图3、图4和图5所示。

可以看出，硅太阳能电池二极管电流的阶跃响应时间分别为2.27us、22.6us和226us，其与少数载流子寿命的比值约为2.26，与前面的理论值2.3分析基本一致。这表明，可以通过测量硅太阳能电池的端电压突变时，二极管电流阶跃响应波形的衰减时间准确地测定硅太阳能电池的少数载流子寿命。

有益效果：本发明相对于现有技术中的测量方法，具有测试设备简单、实施方便、测量准确等优点。

附图说明

图1为本发明的硅太阳能电池的物理模型图。

图2为本发明的硅太阳能电池二极管电流阶跃响应波形图。

图3为少数载流子寿命为1us时硅太阳能电池二极管电流阶跃响应Saber仿真波形。

图4为少数载流子寿命为10us时硅太阳能电池二极管电流阶跃响应Saber仿真波形。

图5为少数载流子寿命为100us时硅太阳能电池二极管电流阶跃响应Saber仿真波形。

图6为本发明测量电路结构图。

图7为本发明一个实施例的硅太阳能电池的正向电压与二极管电流波形图。

图8为本发明另一个实施例的硅太阳能电池的正向电压与二极管电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的测量方法做进一步说明：

实施例1

测量电路如图6所示，考虑到正向端电压突变时，硅太阳能电池二极管电流的峰值很大，普通电源的输出电压会因此瞬间跌落，所以测量中采用超级电容作为工作电源。硅太阳能电池与电流传感器、开关和超级电容串联组成测量电路，且硅太阳能电池被完全遮蔽。实验中采用2.2W单晶硅太阳能电池片(额定参数如表1所示)。

表1  单晶硅太阳能电池片参数

参数	数值
		开路电压	0.61V
短路电流	5.0A
		最大功率	2.2W
最大功率点电压	0.49V
		最大功率点电流	4.52A

其测量步骤如下：

(A)将硅太阳能电池完全遮蔽，并施加0.46V正向阶跃端电压；

(B)测得硅太阳能电池的二极管电流阶跃响应波形，如图7所示；

(C)从上述波形中测得二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间，为6.2us，将该时间6.2us除以2.3即得到此硅太阳能电池的少数载流子寿命，即为2.7us。

实施例2

其测量电路与实施例1相同，硅太阳能电池与实施例1也相同，测量步骤如下：

(A)将硅太阳能电池完全遮蔽，并施加0.49V正向阶跃端电压；

(B)测得硅太阳能电池二极管电流阶跃响应波形，如图8所示；

(C)从上述波形中测得二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间，为6.2us，将该时间6.2us除以2.3即得到此太阳能电池的少数载流子寿命，即为2.7us。

实施例1、实施例2给出了不同阶跃端电压下，硅太阳能电池的正向端电压与二极管电流波形。可以看出，突加正向端电压的一瞬间，产生了很大的二极管电流，然后该电流呈指数曲线下降，证明了太阳能电池的确呈现容性。此外，还可以看出该下降时间与端电压的大小无关，均为6.2us。由图3-图5可知，二极管电流阶跃响应电流经过2.3τ_n达到稳态，所以该硅太阳能电池的少数载流子寿命约为2.7us。可见，基于正向电压突变时硅太阳能电池的二极管电流响应波形，可以很方便的测定硅太阳能电池的少数载流子寿命。

由上述仿真波形及实施例验证结果表明：端电压阶跃变化时，硅太阳能电池的二极管电流从峰值衰减到稳态值的时间始终约为少数载流寿命的2.3倍，因此可通过测量端电压突变时，硅太阳能电池二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间，来间接的测定该硅太阳能电池的少数载流子寿命。

本发明相对于现有技术中的测量方法，具有测试设备简单、实施方便、测量准确等优点。

Claims (2)

1.一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量方法，其特征在于：

包括如下步骤：

(A)在硅太阳能电池两端施加正向阶跃端电压；

(B)得到硅太阳能电池二极管电流的阶跃响应波形；

(C)从上述波形中测得二极管电流由峰值衰减到稳态值的时间，并将该时间除以2.3，即得到硅太阳能电池少数载流子寿命。

2.一种硅太阳能电池少数载流子寿命的测量电路，其特征在于：所述测量电路由硅太阳能电池与电流传感器、开关和超级电容串联组成。