王婷婷，李松麗，許 蕾，張 俊

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 201114）

0 引 言

硅晶材料價格昂貴，而硅薄膜材料用料少（硅晶片＜200μm，硅薄膜＜5μm，材料用料不到硅晶片的5%）。因此，自2006年起硅薄膜太陽能電池[1-2]吸引了許多研究人員與廠家的關(guān)注。在轉(zhuǎn)換效率上，商用非晶硅薄膜模組的極限約為7%，而多結(jié)型硅薄膜太陽能電池模組[3-4]能夠超過10%，使得多結(jié)型硅薄膜太陽能電池已成為市場主流。圖1為雙層堆疊型太陽能電池的元件結(jié)構(gòu)。在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜，接著制作高摻雜濃度的界面層后制作微晶硅薄膜與電極。

圖1 多結(jié)型硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)圖

高效率多結(jié)型硅薄膜元件結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的關(guān)鍵點是需要各層電池的短路電流密度接近，稱為電流匹配。但是檢測各層電池的短路電流密度是十分困難的，無法使用一般的電流-電壓曲線儀測得各層電池的電流。光譜響應(yīng)/量子效率光譜檢測技術(shù)是目前唯一能獨立量測出各層電池短路電流密度的技術(shù)。

本文將先介紹量子效率的測量原理，然后再探討光譜響應(yīng)/量子效率在多結(jié)型硅薄膜太陽能電池中工藝改善上的具體應(yīng)用。

1 光譜響應(yīng)與量子效率的測量原理

光譜響應(yīng)（spectral responsivity，SR）[5-8]是評價光電探測器件（如光偵測器、光度計、太陽能電池等）光電轉(zhuǎn)換能力的指標，也就是入射光子與電子轉(zhuǎn)換的效率（incident photon-electron conversion efficiency，IPCE）。例如，太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，所以光譜響應(yīng)也是評價其轉(zhuǎn)換效率的重要指標。

光譜響應(yīng)SR（λ）可以表述為

式中：P（λ）——各波長入射光的能量，W；

I（λ）——太陽能電池接收到入射光后轉(zhuǎn)換成的電流，A。

其物理意義為：太陽能電池接受1W的光能可產(chǎn)生多少安培電流的能力，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，光譜響應(yīng)、入射光的能量和轉(zhuǎn)換的電能均為波長的函數(shù)。

光譜響應(yīng) 亦可稱為量子效率（quantum efficiency，QE）[9-11]或IPCE。將波長為λ的入射光能量轉(zhuǎn)換成光子數(shù)目，而電池產(chǎn)生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數(shù)，則光譜響應(yīng)可表示成每一個入射的光子能夠轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)酵獠侩娐返碾娮拥哪芰?，稱為量子效率，單位以百分比來表示，如圖3所示。這也可稱為入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率IPCE。

光譜響應(yīng)SR（λ）與量子效率QE（λ）的換算可寫成下式：

式中：q——電子電量；

?——普朗克常數(shù)；

ν——光子頻率；

λ——入射光波長，nm。

改寫式（2）即可得量子效率 QE（λ）

量子效率反映了太陽能電池對不同波長的光電轉(zhuǎn)換效率，而太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的好壞，受到了電池本身材料、工藝、結(jié)構(gòu)等因素影響，使其在不同波長具有不同的轉(zhuǎn)換效率。利用量子效率技術(shù)來檢測、分析電池在不同條件下轉(zhuǎn)換效率的變化，可以分析出工藝的優(yōu)劣，并找出提高電池效率的關(guān)鍵因素。

2 光譜響應(yīng)測試在堆疊型硅薄膜太陽能電池工藝改善上的應(yīng)用

圖2 太陽能電池光譜響應(yīng)/量子效率/IPCE原理示意圖

圖3 光譜響應(yīng)與量子效率的轉(zhuǎn)換

使用光譜響應(yīng)/量子效率光譜技術(shù)可測出太陽能電池各層的短路電流密度。當(dāng)兩個子電池串聯(lián)時，總輸出電流是由較小電流的電池來決定，從而可知目前電池的電流由哪個子電池來控制，及要提高整體效率要針對哪一個子電池的制程進行改善。

圖4 非晶硅-微晶硅多結(jié)型硅薄膜太陽能電池上層電池與下層電池的光譜響應(yīng)/量子效率光譜

圖4是利用光譜響應(yīng)/量子效率光譜技術(shù)量測非晶硅-微晶硅多結(jié)型硅薄膜太陽能電池各層的光譜響應(yīng)/量子效率光譜，此光譜對AM1.5G標準太陽光譜做計算可以得到各層的短路電流密度。上層電池（非晶硅層）與下層電池（微晶硅層）的短路電流密度分別為11.94mA/cm2及9.98mA/cm2，因此整體電池的輸出電流密度是由下層的微晶硅電池來決定。若是利用太陽光模擬器與電流-電壓曲線儀，僅能得到一個輸出電流密度，無法知道各層電池的好壞，更無法訂定明確的制程改善方向與目標。

以圖4的結(jié)果為例，利用光譜響應(yīng)/量子效率光譜技術(shù)測出該電池的下層微晶硅電池限制了整體電池的輸出電流，因此可以將制程改善的方向放在下層微晶硅電池的制程，來提高微晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，使得上、下層電流密度匹配，即可提高整體效率，無需再設(shè)計更多的實驗條件來驗證是何層電池限制了整體電池效率，可大幅提升制程開發(fā)，效率改進的時程與成本。

圖5 標準雙層堆疊型電池結(jié)構(gòu)及增加中間層ZnO作為光線捕捉的結(jié)構(gòu)

任何在多結(jié)型太陽能電池制程上參數(shù)的改變，均可由光譜響應(yīng)/量子效率光譜測試得知而改善。以非晶硅-微晶硅多結(jié)型太陽能電池為例，假設(shè)上層電池的電流密度小于下層電池的電流密度，輸出電流密度由上層電池來決定。若要調(diào)整上下層電池彼此的電流密度，以達到接近1∶1最佳的電流密度匹配條件，可由電池的結(jié)構(gòu)來著手。例如，為增加上層電池的電流密度，可以在上下層電池間增加一層中間反射層如ZnO，將原本會穿透上層非晶硅電池的光部分反射回上層電池中，形成光線捕捉功能，提升上層電池的電流密度。圖5即為在標準雙層非晶硅-微晶硅多結(jié)型太陽能電池中有無增加中間層ZnO作為光線捕捉的結(jié)構(gòu)的異同。

圖6為這兩種結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)/量子效率光譜測試的結(jié)果。由圖6可以觀察到增加了ZnO層后，上層非晶硅電池在500～700nm波段效率顯著提升，如所預(yù)期的ZnO達到了光線捕捉的功能，也使上層非晶硅電池的短路電流密度增加。由于500～700nm波段的光被捕捉在上層電池，使得進到下層電池的500～700 nm波段的光線減少，因此下層微晶硅電池在此波段的電流密度降低，以致短路電流密度下降。因此，可以調(diào)整ZnO層的條件，并利用光譜響應(yīng)/量子效率光譜來作為結(jié)果的檢測，將上下層電池在短路電流密度上調(diào)整的更佳匹配，以提升整體電池的輸出效率。

圖6 增加ZnO中間層制程前后的光譜響應(yīng)/量子效率光譜

3 結(jié)束語

本文主要針對在高效率多結(jié)型硅薄膜元件結(jié)構(gòu)設(shè)計中各層短路電流無法被測出這一困難，探討了光譜響應(yīng)/量子效率光譜測試技術(shù)在這方面的應(yīng)用。該項技術(shù)使電池各層在短路電流密度上達到最佳匹配從而改進制程，提高電池的效率，并可作為計量測試中電池片的標定。

[1]Shah A，Torres P，Tscharner R，et al.Photovoltaic technology：the case for thin-film solar cells[J].Science，1999，285（5428）：692-698.

[2]Chopra K L，Paulson P D，Dutta V.Thin-film solar cells：an overview[J].Progress in Photovoltaics，2004，12（2-3）：69-92.

[3]Yamaguchi M，Takamoto T，Arakia K.Super highefficiency multi-junction and concentrator solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90（18-19）：3068-3077.

[4]Yamaguchi M，Takamoto T，Khan A，et al.Super-highefficiency multi-junction solar cells[J].Progress in Photo voltaics，2005，13（2）：125-132.

[5]Loferski J J，Wysocki J J.Spectral response of photo Voltaic cells[J].RCA Review，1961，22（1）：38-55.

[6]Busch K W，Busch M A.Multielement detection systems for spectrochemical analysis[M].New York：Wiley-Interscience，1990.

[7]Pudov A.Impact of secondary barriers on GuIn-1x GaxSe2 solar-cell operation[D].U.S.A.：Dep of Physics，Colorado State University，2005.

[8]Meusel M，Baur C，Létay G，et al.Spectral response measurements of monolithic GaInP/Ga/（In）As/Ge triplejunction solar cells:measurement artifacts and their explanation[J].Progress in Photovoltaics，2003，11（8）：499-514.

[9]Pichler K，F(xiàn)riend R H，Moratti S C，et al.Exciton diffusion and dissociation in a poly（phenylenevinylene）/C60 heterojunction photovoltaic cell[J].Applied Physics Letters，1996，68（22）：3120-3122.

[10]Park S H，Roy A，BeaupréS，et al.Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%[J].Nature Photonics，2009（3）：297-302.

[11]Slooff L H，Veenstra S C，Kroon JM，et al.Determining the internal quantum efficiency of highly efficient polymer solar cells through optical modeling[J].Applied Physics Letters，2007，90（14）：143506-143506-3.