专利名称：硅基太阳能电池暗i-v-t特性的测试方法
技术领域：
本发明涉及薄膜硅/晶体硅异质结太阳能电池技术，特别涉及一种硅基太阳能电池暗I-V-T特性的测试方法。
背景技术：
薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池，结合了薄膜的低温沉积制备工艺和晶体硅材料的无缺陷优点，具有较好的应用前景。为优化太阳能电池工艺参数，提高电池光电转换性能指标，尤其是提高电池的填充因子FF，深入理解异质结电池中的载流子输运过程非常必要。目前人们对薄膜硅/晶体硅异质结输运特性的实验和理论研究，主要是通过采用双二极管模型或者建立器件的能带模型，结合室温下的暗I-V数据的分析，来提出相应的输运机制。其中，双二极管等效模型将中性区和结耗尽区的复合电流用两个并联的二极管来代替，同时考虑到可能的串联和旁路电阻，是分析异质结的暗ι-v特性曲线的有效手段。通过对暗 I-V特性的分析，有助于我们了解界面处理、电池结构、欧姆接触和表面情况等与载流子的输运复合机理和电池性能的关系。通过建立能带模型，可以更深入地认识载流子的输运过程，提出输运模型，这就需要研究I-V-T特性，即随着温度的改变，电池器件暗I-V特性的变化，这就需要一种能准确测试电池暗I-V-T性能的方法，特别是在100°c以下的低温范围。
发明内容
本发明的目的是提出一种硅基太阳能电池暗I-V-T (电流-电压-温度)特性的测试方法，用于对太阳能电池器件中载流子输运特性的研究，以指导对太阳能电池器件的优化制备。本发明提出的一种硅基太阳能电池暗I-V-T特性的测试方法，包括以下步骤
(1)采用热丝化学气相沉积技术制备结构为“Al前电极/n-a-Si: H/i-a-Si : H/p-c-Si/Al背电极”的硅基异质结太阳能电池；
(2)将制备的硅基异质结太阳能电池放置于密封无光照射真空室内的铜板上，抽真空至4X 10_4 I X IO-4Pa,铜板与低温温度控制器相连；
(3)通过热传导效应，通过调节低温温度控制器来控制硅基异质结太阳能电池表面的温度，硅基异质结太阳能电池表面温度由0°C升至60°C，步长为每分钟升温5°C，在每隔5°C的温度变化范围，通过数字万用表在异质结两端Al前电极和Al背电极施加直流电压，电压为OV至O. 8V连续变化，电压步长为O. 01V，读出数字万用表上的电流值，便可得出该硅基异质结太阳能电池(T60°C内的I-V曲线，S卩I-V-T曲线。通过测试电池器件在无光照的暗室条件，在电池两端加上O至O. 8V连续变化的直流电压下，流过器件电流随温度的变化规律，以指导对太阳能电池器件的优化制备，特别是改善电池器件的填充因子，进而提高光电转换效率。本发明的有益效果是1、本发明通过测试不同温度下的电池器件I-V特性变化，可以有效地分析电池器件的载流子输运特性，对研究影响电池的填充因子的输运机理提供了便利，为改善电池的填充因子，进而提高电池的光电转换效率，提出了一种较为有效的分析与解决方法；
2、本测试方法所用的设备非常简单，操作方便，数据实时记录；
3、通过低温温度控制器可以精确地控制器件表面的温度，为I-V特性测试结果的准确性提供可靠的支持。
图I为双二极管模型等效电路及不同电压范围的I-V曲线 图2为硅基异质结太阳能电池I-V-T温度特性 图3为不同电压范围，参数A随温度的变化图。
具体实施例方式本发明提出的硅基太阳能电池暗I-V-T特性的测试方法，包括以下步骤
Cl)采用热丝化学气相沉积技术(HWCVD)制备以下异质结结构的硅基太阳能电池A1前电极/n-a-Si: H/i-a-Si :H/p-c-Si/Al背电极，各层的厚度分别对应如下200微米/25纳米/8纳米/250微米/250微米，切割成I X Icm2的电 池器件；
(2)将所制备的电池器件放置于密封、完全无光照射的真空室中，抽真空至4X10_4 IXlO-4Pa,电池器件放置于铜板上，铜板与低温温度控制器相连，温度调节范围为O 60°C，通过热传导控制电池器件的表面温度变化范围为O 60°C ；
(3)通过低温温度控制器控制电池器件表面温度从O 60°C的连续变化，步长为每分钟升温5°C，并于每隔5°C时，进行I-V测试，具体操作如下=Keithley 2400数字万用表的电压输出端分别接在太阳能电池的正面铝电极和铜板上，以实现在异质结两端，即铝前电极和铝背电极施加直流电压，电压范围为O O. 8V，步长为O. OlV0接通电压，读出数字万用表上的电流值，得出在该电压范围内的I-V曲线，对于O 60°C温度范围，从而得出该电池的暗I-V-T特性曲线。工作原理
为了研究无光照条件下的暗I-V输运机制，通常采用双二极管模型等效电路来描述太阳能电池的PN结，如图2所示，二极管I为理想二极管，描述电池中的扩散过程；二极管2为非理想二极管，代表各种耗尽区的复合输运机制。根据双二极管模型等效电路，电池的电流方程可表示为
q(V-IR)q(￥4R) V-IR^
!(VHwNr S -lj+bNp S! *k
n, kTH0IcTR, IIsh
(I)
其中，Icu和1。2分别为二极管I和2的饱和电流，II1和n2是二极管I和2的理想因子，Il为光电流，q为电子电荷，T为温度，Rs和Rsh分别为串联和旁路电阻。暗I-V-T特性可进一步认识异质结电池输运机制。一般认为在硅异质结中，载流子输运过程主要包括扩散、热发射、复合和隧穿四个过程，电流密度J和电压之间的关系通常可表示为
J=JQexp (AV) ;(2)
J0 exp (-Ea/kT)(3)
其中Jtl是饱和电流密度，在不同的电压范围对应于单位面积下方程(I)中的Itll和Itl2 ;Ea是激活能；系数A的表达式与输运机制有关。对于扩散、热发射和复合过程A=q / nkT(4)
η是理想因子，在不同的电压范围分别对应方程(I)中的Ii1和η2 ;对于隧穿输运过程，A与温度无关。根据方程(1)，太阳能电池的暗I-V曲线可以划分为4个区域，如图I所示1)V< O. 15V的小电压下，暗电流主要由旁路效应决定；2) O. 15V < V < O. 3V范围，空间电荷区内(或界面附近)的缺陷态造成的复合电流(即非理想二极管2)是暗电流的主要成分；3)
O.3V < V < O. 5V范围，通常认为是常规的扩散电流或中性区复合电流(即理想二极管I)对暗电流起主导作用；4)当V > O. 50V时，输运特性受串联电阻影响较大。操作实例说明
研究结构为“Al前电极/n-a-Si: H/i-a-Si :H/p-c-Si/Al背电极”的薄膜非晶硅/晶体硅异质结的输运机制，我们在O 60°C(即273 333K)温度范围测量其暗I-V-T特性，如图2所示，电流密度随着温度的增加而增加，对所有的温度，正向J-V曲线仍可粗略地分为四个区域，V < O. 15V, O. 15V < V < O. 3V, O. 3V < V < O. 5V, V > O. 5V。V < O. 15V 和 V > O. 5V的电压范围中，暗电流主要受串、并联电阻的影响，因此，我们只考虑O. 15V < V < O. 3V和
O.3V < V < O. 5V电压范围的输运情况，在这两个电压范围，根据公式(2)对不同温度下的J-V特性进行拟合，得到系数A。对O. 15V < V < O. 3V电压范围，首先，系数A随温度的变化如图3中的空心符号所示，可以看出，A随Ι/kT线性变化，根据方程(4)可得到理想因子112大约为2.1，这与复合输运机制相符，这证实了在O. 15V < V < O. 3V的低电压范围，复合电流是本实例中所制备非晶硅/晶体硅电池的主要输运机制。对于O. 3V < V < O. 5V电压范围，A几乎不随温度变化，如图3中的实心方框所示，这表明对该电压范围的电流起主要作用的不是理想晶体管I所描述的扩散电流，A不随温度变化表明是隧穿电流。通过对以上O. 15V < V < O. 5V电压范围内异质结电池的I_V曲线随温度的变化规律研究，得出该种电池在O. 15V < V < O. 3V的低电压范围，复合电流是纳米硅/晶体硅电池的主要输运机制；而在O. 3V < V < O. 5V电压范围隧穿电流是主要输运机制，这对于改善载流子输运特性、提高电池的填充因子指明了方向，如依本实施例，改善异质结界面的缺陷态密度，可有效降低复合电流的影响，从而提高电池的填充因子以及光电转换效率。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.硅基太阳能电池暗I-V-T特性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)采用热丝化学气相沉积技术制备结构为“Al前电极/n-a-Si: H/i-a-Si : H/p-c-Si/Al背电极”的硅基异质结太阳能电池； (2)将制备的硅基异质结太阳能电池放置于密封无光照射真空室内的铜板上，抽真空至4X 10_4 I X IO-4Pa,铜板与低温温度控制器相连； (3)通过热传导效应，通过调节低温温度控制器来控制硅基异质结太阳能电池表面的温度，硅基异质结太阳能电池表面温度由0°C升至60°C，步长为每分钟升温5°C，在每隔5°C的温度变化范围，通过数字万用表在异质结两端Al前电极和Al背电极施加直流电压，电压为OV至O. 8V连续变化，电压步长为O. 01V，读出数字万用表上的电流值，便可得出该硅基异质结太阳能电池(T60°C内的I-V曲线，S卩I-V-T曲线。
全文摘要
本发明涉及一种硅基异质结太阳能电池暗I-V-T特性(电流-电压-温度)的测试方法，属于硅基太阳能电池领域，通过测试0～60℃范围、电池两端加0至0.8V等步长连续变化直流电压的硅异质结太阳能电池的电流随温度变化规律，从而得出该电池的暗I-V-T特性曲线，可以分析异质结电池的载流子输运机制，得出电池填充因子的影响因素，是研究硅基太阳能电池电学性能的有效方法之一；本方法设备简单，操作方便，易于实现，测试数据可靠性、重复性高，应用于硅基太阳能电池的电学性能研究领域。
文档编号G01R31/26GK102914735SQ20121035245
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者马立云, 崔介东, 彭寿, 王芸 申请人:蚌埠玻璃工业设计研究院, 中国建材国际工程集团有限公司