太陽電池量測技術

 

刊登日期:2008/6/24
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隨著新興國家的崛起,能源需求的大幅度提升,石油礦產不斷的消耗,加速了溫室效應所引發的環境問題,因此使得節能的太陽電池應用逐漸受到世人的重視,也因此造就了許多種類的太陽電池技術蓬勃發展,這之中包含了矽晶太陽電池(silicon based solar cell)、矽薄膜太陽電池(silicon thin film solar cell)、染料敏化太陽電池 (Dye sensitized solar cell)、銅銦鎵硒太陽電池(CuInGaSe; CIGS solar cell)、聚光型三-五族太陽電池(Concentrator Ⅲ-Ⅴ compound solar cell)等。而要評估這些太陽電池的特性好壞,其無非仰賴公信的量測技術,進行太陽元件特性評估,來提供可信賴的太陽電池轉換效率值,對於技術的推升與發展都將有著無比的助益。在進行任一太陽電池元件特性評估時,皆需從元件的基本操作原理了解起,因此,本文將以矽晶與矽薄膜太陽電池量測技術為例,逐步作一介紹。
 
矽晶與矽薄膜太陽電池~發電原理與元件結構
現行的p-n接面矽晶太陽電池元件,係由矽基板、抗反射層、與經擴散製程所得p-n二極體接面、金屬電極所構成,而矽晶太陽電池經照射太陽光所收集到的光電流,主要來自於p-n接面空乏層區域所產生極少數漂移電流(drift current),以及n、p型矽半導體內的中性區吸收不同太陽光譜波段所產生絕大多數擴散電流的總和。而不同於矽晶太陽電池結構,矽薄膜太陽電池則由透明導電層(transparent conductive oxide) 、n型、p型、本質(intrinsic)半導體層與金屬電極,所構成p-i-n接面的元件結構,其光電流的產生是由不摻雜且低缺陷濃度的本質半導體層吸收合適太陽光光譜後,藉由光電轉換機制而產生電子-電洞對(electron-hole pair),並且受到高掺雜n型、p型半導體層與本質半導體層堆疊所形成的內建電壓(built-in voltage)影響,使得電子與電洞分別往而n型、p型半導體層移動,經金屬極收集後即可得到光電流。圖一為矽晶與矽薄膜太陽電池的發電原理。因此可知不論是矽晶或是矽薄膜太陽電池都是吸收了合適波段的太陽光,進而將光能轉換成可應用的光電流,可想而知,若太陽電池元件更有效地吸收利用太陽光頻譜,則將會大大提昇元件的能量轉換效率。


圖一、(a)矽晶太陽電池發電原理;(b)矽薄膜太陽電池發電原理

太陽光譜介紹 (描述分類AM0, AM1.5)
太陽表面溫度接近6000K,因此其放射光譜幾乎等同於該溫度下的黑體輻射,並且光譜照射是並無方向性的,地球與太陽相距約一億5千萬公里遠,而能到達地球表面的光子,幾乎只有正向入射至地球表面的光譜所貢獻,到達地球大氣圈表面的光譜輻射能量定義為太陽常數(solar constant),其數值大約1.353 kW/m2 ,因此大氣圈外的太陽光譜定義為AM0,其中大氣質量(air mass)用來估量因為大氣層吸收後,所導致影響太陽光譜表現與總體能量值,而這些能量值亦是地球表面應用的太陽電池元件所能運用的。圖二說明大氣質量的計算方法,大氣質量數值常是使用Air Mass =1/cos θ來計算的,其中θ=0所代表的是太陽光線從頭頂上方直射下來,而由上述的計算市中可知,地球表面用以衡量太陽光譜的大氣質量值是大於等於1,目前被慣以使用的太陽光譜AM1.5,即是太陽光入射角偏離頭頂46.8度,當太陽光照射到地球表面時,由於大氣層與地表景物的散射與折射的因素,會多增加百分之二十的太陽光入射量,抵達地表上所使用的太陽電池表面,其中這些能量稱之為擴散部份(diffusion component),因此針對地表上的太陽光譜能量有AM1.5G (global)與AM1.5D(direct)之分,其中AM1.5G即是有包含擴散部分的太陽光能量,而AM1.5D則沒有。圖三所表示的即是大氣圈外(AM0)與地表上(AM1.5)太陽光能量光譜。 


圖二、大氣質量的計算方法示意圖


圖三、大氣圈外(AM0)與地表上(AM1.5)太陽光能量光譜

太空用的太陽電池元件電性量測所使用的標準光譜是以AM0,而地面上應用的太陽電池元件電性量測所使用的標準光譜,依其應用性之不同,可採用AM1.5G或是AM1.5D,其中AM1.5G光譜的總照度為963.75W/m2,而AM1.5D光譜的總照度為768.31W/m2,在量測計算應用上方便,常會將此二值做歸一化(normalize)至1000 W/m2

太陽光源模擬器
太陽電池元件的電性量測,是可分別於戶外(outdoor)或是室內(indoor)來進行的,而太陽電池元件會有容易受到溫度、照度影響與地利位置等因素的影響,所以在戶外進行量測所得到的數據不易有再現性與可比較性,雖不利於太陽電池的研究開發之用,但對於已完成的太陽電池模組的實際發電效率監控卻是有莫大的助益,基於前述理由,目前主要的太陽電池元件量測工作,大多數都於室內來進行測試,元件電性量測過程所需的太陽光線,是利用太陽光模擬器(solar simulator)來提供近似太陽光譜的光源,同時因為太陽電池元件的電力輸出,與太陽光頻譜有著密不可分的關係。因此太陽光模擬器的優劣,即會大大影響元件的測試結果,因此有美國標準量測規範ASTM E927、IEC 60904-9 與 JIS C8912 等標準來規範太陽光模擬器的等級區分,綜合光源的照射強度均勻性(Nonuniformity of total irradiance)、照射不穩定性(Temporal instability of irradiance)、光譜合致度(spectral match),將太陽光模擬器等級分為A、B、C三個等級,如表一所示。目前常用的單一光源太陽光模擬器有鹵素燈泡(tungsten–halogen lamp, ELH) 與 Xe燈泡(Xenon lamp)為主,鹵素燈泡搭配dichroic filter所組成的太陽光模擬器屬於C級,主要是因為其在波長0.7~0.8μm範圍能量過高,在0.4~0.5μm範圍能量卻不足,而使用Xe燈與合適AM1.5G filter所組成的太陽光模擬器,其光譜波長短於0.8μm範圍可達A級,而在0.8~1.2μm波長範圍有著強烈的原子放射波段(atomic line),雖無法達到完全近似太陽光譜,但對於傳統的單一接面(single junction)太陽電池元件電性量測來說是足夠的。

表一、太陽光模擬器分級標準

太陽電池光譜響應量測
太陽電池元件的光譜響應特性,直接影響著元件能量轉換效率表現,而太陽電池光譜響應量測(spectrum response measurement)的物理意義是測試太陽電池所產生光電流對應吸收光譜波段範圍,因此對於研究開發太陽電池而言,了解元件對太陽光譜的響應特性是相當重要的,不僅是可用於太陽電池元件的電性量測輸出特性的修正,亦是做為多接面太陽電池(multi-junction solar cell)元件設計重要資訊,因為多接面的太陽電池是以串聯結構設計,目的是著眼於如何有效的運用太陽光譜來得到更多的可用電力輸出,所以藉由太陽電池光譜響應特性,可以協助研發人員設計出更高轉換效率的元件,圖四為用於太陽電池光譜響應研究的量測設備結構示意圖。


圖四、用於太陽電池光譜響應研究的量測設備結構示意圖

太陽電池量測值修正
目前用來評估太陽電池電性輸出主要是使用太陽光模擬器(solar simulator method)與標準參考電池法(reference cell method),但由於利用太陽光模擬器所產生光源的光譜與實際自然太陽光連續光譜仍有些微差距,並且選用的標準參考電池的光譜響應與所用測試的太陽電池的光譜響應也不盡相同,因此藉由上述的測試方法所的元件電性特徵值會與真實太陽光下操作的特性輸出有異,因此有必要進行修正,修正方法是根據ASTM E973所規範的,主要的修正是要找出頻譜不吻合參數(spectral mismatch parameter)。若待測太陽電池元件的頻譜響應特性與標準參考電池元件特性相同,或太陽光模擬器光譜與標準參考光譜相同時,這樣對太陽電池元件的量測將顯得相當簡易,但往往事實未如此簡單,因為通常待測太陽電池元件的頻譜響應與標準參考太陽電池不盡相同,所以需要藉由推算出頻譜不吻合參數值,可藉此調整太陽光模擬器光源強度。

目前無論是業界或研究單位在進行太陽電池元件的量測,皆採取太陽光模擬器與標準參考太陽電池方法,由於不同的太陽電池元件對於太陽光頻譜響波段亦不相同,因此在進行相關元件效率評估時,皆需要取得該太陽電池元件的頻譜響應特性,提供後續太陽電池元件測量值修正之用,藉以得到精確的元件特性表現。

作者:陳頤承、郭昭顯、陳俊亨 /工研院太陽光電科技中心
★本文節錄自「工業材料雜誌258期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6957


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