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太阳光电板发展动向(下)   【作者： 高士】2005年01月01日 星期六

浏览人次：【8347】 色素增感太阳能光电板 色素增感太阳能光电板又称为湿式太阳能光电板（以下简称为色素增感光电板），低价、高性能的特征，使得色素增感光电板扮演次世代太阳能光电板重要的候补角色。事实上色素增感光电板的发展历史相当久远，早期的光电转换效率η大约只有1％，而且稳定性非常差。 91年瑞士EPFL工科大学Graetzel教授发表AM1.5，η＝7.9％新型色素增感光电板，不过在93年与97年发表的光电转换效率η则陆续突破10％与10.4％。由于色素增感光电板在50℃高温环境下具备10年左右耐久性保证，而且制程简单原料取得容易，目前已经成为欧、美、日研究的焦点。 根据日本产业技术总合研究所（以下简称为产研所）NEDO太阳发电技术开发计划小组，针对上述光电板的构成要素，亦即二氧化钛（titania）光电极最佳化、增感色素精制、色素固定化与电解质溶液等最佳化进行研究，根据实验结果显示，使用钌（ruthenium）色素N719构成二氧化钛光电板的电转换效率η＝9.6％；使用black dia构成二氧化钛光电板的光电转换效率η＝ 9.6～10.4％。 (图一)是black dia二氧化钛光电板的电流-电压特性；(图二)是可以高效率发挥光线封闭效应的二氧化钛电极结构；(表一)是Graetzel教授与NEDO发表的二氧化钛电极结构色素增感光电板的性能比较；(图三)是上述增感色素光电板常用的polyene系与coumarin色素结构。 《图一 black dia二氧化钛光电板的电流－电压特性》 《图二 可高效率发挥光线封闭效应的二氧化钛电极结构》 《表一 Graetzel教授与NEDO发表的二氧化钛电极结构的色素增感光电板性能比较》 《图三 色素增感形光电板使用的增感色素的结构》 色素增感型光电板使用的二氧化钛等氧化物半导体、钌增感色素、有机增感色素以及电解质成份的价格非常低廉，若与矽质光电板比较时，色素增感形光电板的资源限制比较少，而且制程上采用连续印刷方式，不需使用价格昂贵的融炉与真空设备。实验室的cell光电转换效率为10％，模组化的光电转换效率大约是8.4％，使用寿命超过10年以上，换句话说整体性能不比传统矽质光电板差，而且制作容易设备低廉。 有关高性能有机增感色素的发展动向，如表一所示产研所的研究人员将thiophone导入coumarone骨架内，制作成全新的coumarone系色素，接着再使用该色素制作二氧化钛光电板，根据测试结果显示，该光电板的光电转换效率为η＝7.7％(AM1.5,100mW/cm2)，它是目前全球最高光电转换效率的有机色素系光电板。此外polyene色素系光电板的光电转换效率η亦可达到6.8％的水准，钌系色素也具有同等效果。 理论上开发光吸收gap狭窄、高性能色素或是改善光电极的电子损耗过程，都可以提高色素增感型光电板的性能，例如N719色素（假设吸收gap为1.6eV，就可以获得26mA/cm2的光电流）与二氧化钛电极以及I－/I3－redox组合，假设理论上可以获得最高的电压与电流，如此一来： 《公式一》 (图四)是澳洲STI开发的BIPV（Building Integrated Photo Voltaics）色素增感型光电板array模组的外观；(图五)是日本丰田中研开发的8片模组组合构成的色素增感型光电板的外观，每片模组有30个24cm正方光电板单体。 to Voltaics）色素增感型光电板array模组外观 《图五 日本丰田中研开发的色素增感型光电板外观》

2001年Uppsala大学的Hagfeldt教授以二氧化钛为原料，利用press在塑胶表面制作二氧化钛膜层，形成塑胶type色素增感型光电板，该光电板以10mW/cm2光线照射时，光电转换效率η＝4.9％ ，因而促使日本各研究单位正式展开塑胶type色素增感型光电板的研究，(表二)是有关塑胶type色素增感型光电板的研究结果。

《表二 日本各研究单位的塑料type色素增感型光电板研究结果一览》

如表二所示，桐荫横滨大学是利用电气咏动原理，将二氧化钛微粒子在薄膜基板上堆积成致密的膜层，并开发无白金的塑胶对极，试图借此形成低价的全塑胶化光电板，根据实验结果证实8cm正方光电板的光电转换效率η＝3.6～3.9％(AM1.5)；日立micro cell利用press制成的二氧化钛光电极，与利用常温溶融盐电解质制成的可挠式塑胶光电板，以13mW/cm2光线照射时的光电转换效率η ＝5％(AM1.5)；岐阜大学则利用电析法与100℃水热autoclave法制作1cm正方光电板，以13mW/cm2光线照射时的光电转换效率η＝3.3％(AM1.5)。

一般认为轻巧无破裂之虞的塑胶光type色素增感型太阳能光电板，虽然目前仍处于研究摸索阶段，不过由于可携式电子产品的需求非常迫切，因此未来它的实用化日期可能会比预期更快。

太阳能光电板的标准输出量测

低价结晶矽与非结晶矽太阳能光电板的实用化与高效率化，衍生许多有关光电板的输出量测新课题，具体内容分别是光电转换效率，接近理论极限的单结晶矽太阳能光电板，必需作高精度的输出量测技术；第二是随着多接合太阳能光电板的问世，利用基准太阳能光电板建立的传统输出量测方法已经面临极限，换言之前者的输出量测技术必需提高校正精度，后者则必需开发适合新型太阳能光电板使用的输出量测技术，因此本文最后要介绍太阳能光电板的标准量测方法的发展经纬，同时说明以太阳能光电板为主体的JIS规格标准输出量测法。

JIS规格标准输出量测法的研究，起源于1974年日本太阳电池研究开发计划；工业标准化则是以光产业技术振兴协会太阳电池标准化委员会为中心，配合日本品质保证机构太阳电池cell module量测评鉴中心的协助共同制定JIS基本草案，在1983年以标准校正法的形式正式提案，标准化委员会以此屋内校正法为主体，确立标准输出量测法体系，并在1983年创立太阳能光电板测定法规范JIS C 8911～8919，同时朝向国际标准化的认同（consensus）方向迈进，1983年上述屋内校被当作国际规格案，正式向IEC（International Electrotechnical Commission）提案。

最近世界放射量测基准（World Radiometric Reference；WRR）要求可追踪（traceable）的放射照度量测，因此产研所开发可在模拟太阳光（solar simulation）使用，而且可作追踪放射照度量测的大开口角绝对放射仪，利用该放射仪与WRR规定的追踪放射照度量测规范，就可以作一次基准太阳能光电板的校正，该校正方法规格化后就成为日后JIS C8910一次基准太阳能光电板cell的规范，以及IEC的IEC TC 82的规范。

有关输出电流对放射照度是否呈线性特性，基本可分为两种系统，分别是代表线性的结晶系太阳能光电板JIS体系，与非线性的非结晶系（amorphous）太阳能光电板JIS体系。 (表三)是一次基准太阳能光电板cell JIS C 8910，与非结晶系太阳能光电板cell JIS C 8910～8919，以及非结晶系太阳能光电板cell JIS C 8931～8940规格化的一览。

《表三 太阳能光电板的JIS规范一览》

基准状态

此处所谓基准太阳光是希望以共通条件表示光电板的输出，所以才会规定必需使用已规范的放射照度，与分光放射强度分布的自然太阳光作量测基准。目前ICE与JIS规范已经正式采用自然太阳光的理论计算码（code）。

(图六)是基准太阳光的分光放射强度分布特性。为采用自然太阳光的理论计算码，全球的任意大气条件与量测条件下的自然太阳光放射强度，与它的分光分布可以轻易求得，此外在各种大气条件下也可以轻易作光电板输出与输出值的换算。随着理论码的修正改良，基准太阳光具备可作变更的优点。

《图六 基准太阳光的分光放射强度分布特性》

实际光电板cell module的输出量测，可以实现基准太阳光状态的机会非常少，因此使用事先已在基准太阳光下校正过输出值的基准光电板cell（以下称为基准cell），设定或是量测光源的放射照度，同时可作等价性基准太阳光下的光电板cell module的输出评鉴方法（以下称为基准太阳电板方式），已经成为标准输出量测方法而且正式被采用。此外为了同时使量测光源的放射照度与它的分光分布两要素，能够配合基准cell进行机能调整，因此要求基准cell与被测太阳电板的相对分光感度两者必需一致。

依照基准太阳电板进行光电板的输出量测时，首先要以基准太阳光（分光放射照度Eref,λ）为前提，使用已校正的基准cell（分光感度Rref,λ），同时还需要调整模拟太阳光（solar simulation）的放射照度（分光放射照度Emeas,λ），使该输出电流Iref－meas成为校正值Iref－ref，该输出电流可用下式表示:

《公式二》

接着在模拟太阳光下量测被测太阳电板（分光感度Rcell,λ）的输出，由于基准cell与被测太阳电板相对分光感度两者相同，所以可用Rcell,λ＝kRref,λ表示，被测太阳电板的输出电流Icell－meas根据公式（2），可用下式表示:

传统剪裁的公式如下所示

虽然量测光与基准太阳光的分光分布并不相同，而且被测太阳光电板与基准cell的相对分光感度的不一致，会产生所谓的输出量测误差（spectrum miss match误差），不过JIS规范要求误差只要低于2％以下即可。类似JIS规范为降低spectrum miss match误差、温度补正与放射照度补正造成的误差，因此要求量测时必需使用太阳光电板量测用模拟太阳光（solar simulation），同时还需在一定范围的温度与放射照度标准状态（standard test environment）下进行输出量测作业（例如JIS C8913、8914、8919、8934、8935、8940等规范）。

JIS规范的基准太阳下输出值为已校正的基准cell，该基准cell可分为一次基准cell与二次​​基准cell两种，但不论哪一种都是可以用于来制定测量光的放射照度。二次基准cell是利用一次基准cell校正的基准cell，所以被称为一次基准cell校正值的副本（例如JIS C8911、8931等规范）。在全球标准化竞争非常激烈的环境下，一次基准cell的校正方法（例如JIS C8910）成为重要的研究议题。

基准cell的校正值基本上是利用基准太阳光的绝对分光放射照度，与基准cell的绝对分光感度，两者相乘的积的全波长经过积分后求得。由于已商品化太阳能光电板cell module的基准cell，对放射照度并无输出电流的线性特性，因此必需在接近基准太阳光的近偏压（bias）光照射下，利用交流法（使用lock in amplifier ）进行分光感度量测。此外由于基准cell的绝对分光感度不易作高精度直接量测，因此出现许多校正方法的提案，其中最直接的方法是德国的DSR方式（Differential Spectral Response Method），直接量测基准cell的绝对分光感度，该方法对基准cell的输出电流放射照度，要求非常严苛的线性特性，该方法最大缺点是欠缺泛用性，虽然是根据SI单位（System International Unit）制定，却不是「traceable to WRR」；美国提案的直接日射下（direct sunlight method）基准cell屋外校正法，最大缺点是可以满足适合校正的大气条件的机会非常少；为增加校正的机会，因此日本开发solar simulator method（与JIS C8910相同）屋内校正法，该方法是根据分光放射照度标准灯泡基准，计算放射照度为100W/m2时的基准cell绝对分光感度特性，它与上述DSR方式不同，因此基准cell的线性特性问题比较少而且实用极高，但不论哪种方式以上介绍的量测方法，最终都可以求得基准cell的绝对分光感度，至于最后何者被采用，则取决于实际验证后的校正机会多寡、校正精度的高低以及维修的容易性等等。

JIS规范中分别记载根据分光放射照度标准灯泡为基准，制定的屋内校正方法(a)，与根据WRR制定的屋内校正方法(b)两种校正方法。(图七)是上述两校正方法的构想图，其中屋内校正方法(a)是已经正式实施的一次基准太阳能光电板的校正方法；屋内校正方法(b)是已经将考测仪精度可靠性（traceability）纳入考量的校正方法，不过该方法却必需使用「即使在模拟太阳光（一般光束扩散角度超过10°）亦可使用，而且对WRR亦能作traceable放射照度量测绝对放射仪」 。由此可知图七右侧的基准太阳光电板的校正，必需使用大开口角（例如40°）的绝对放射仪，此外图上方还需装设的开口角5°的准直仪（collimator），并在太阳光下（完全平行的光束）进行与WRR放射仪（开口角5°）的比较量测。

根据分光放射照度标准灯泡的屋内校正方法

一次基准太阳能光电板cell方法，分别量测一次基准太阳能光电板cell的分光感度特性Q(λ)、短路电流ISC(m)与模拟太阳光的绝对分光放射照度Φm(λ)，接着根据以上实测值与AM1.5基准太阳光下的分光放射照度Φ(λ)，利用下式计算一次基准太阳能光电板的短路电流，最后再以该计算值当作校正值ISC(c)。

《公式四》

根据世界放射量测基准的屋内校正方法

本方法是依照世界放射量测基准制定的屋内校正方法，它是上述(a)项分光放射照度标准灯泡的屋内校正方法，追加使用traceable绝对放射仪量测模拟太阳光的绝对放射照度EM ，接着计算分光放射照度灯泡的校正系数α（几乎接近1）。具体方法是利用下式计算一次基准太阳能光电板的短路电流，再以该计算值当作校正ISC(c)。

《公式五》

有关校正顺序，校正方法(a)的校正顺序如下:

校正方法(b)的校正顺序如下:

《图七 一次基准太阳能光电板cell的校正方法》

有关CdS/CdTe等CIS(CuInSe,Cu(InGa)Se2)新型化合物半导体薄膜太阳能光电板的输出量测方法，包含光产业技术振兴协会太阳电池标准化委员会在内的检讨作业结果证实，输出电流对放射照度具有线性特性，换言之结晶系太阳能光电板JIS规范可以比照使用，至于量测用模拟太阳光规范的基准太阳光能量分布波长的范围，是否可以扩大则有待进一步的讨论验证，一般认为一旦讨论结果被接纳，立刻就会成为JIS规范。

此外多接合太阳能光电板是由具有相异长频宽感度的复数要素的cell串联连接构成,尤其a-Si/a-SiGe等非结晶系太阳能光电板,与InGaP/GaAs/Ge等化合物系太阳能光电板陆续商品化，由于这类多接合太阳能光电板是由要素cell串联连接构成，因此各要素cell之间会有不协调（miss match）问题，而且低光电电流的要素cell对贯通电流（多接合cell的输出电流）具有支配性，因此利用基准太阳能光电板进行多接合cell的输出量测时，必需分别准备要素cell用基准cell（基准要素cell），而且还需要准备可以满足上述任何一个复数基准要素cell校正值，同时作分光放射照度分布的模拟太阳光。

有关基准要素cell的准备与校正，由于感度波长频宽极易产生频谱不协调现象，因此作业上必需格外注意。有关模拟太阳光的研究，分别有多光源法与补助光源法两种，前者的研究重点是调整要素之间的电流不协调；后者则是具备电流不协调的调整同时，试图利用该调整使模拟太阳光的近似度上升，根据研究结果显示测定光源在可能范围下必需尽量高近似度，如此一来补助光源法就可以获得2～3％的量测精度，然而实际上若欲提高量测精度，必需根据接近基准太阳光的自然太阳光进行输出量测。

至目前为止日本的ICE国际规范对太阳光能电板的研发贡献另人非常侧目，其中又以根据分光放射照度标准灯泡的屋内校正方法，更成为国际性一次基准太阳光能电板cell的校正方法，除此之外有关根据分光放射照度量测，在基准太阳光下进行修正计算的美、德标准量测方法也正式被采纳。

新开发的WRR屋内校正方法是传统校正方法的延续，由于该方法考虑放射照度量测的国际性精度可靠性（traceability），加上两者校正资料重叠，因此​​标准灯泡基准与WRR基准的power基准差异可望被建立。有关多接合太阳光能电板的输出量测，随着要素cell段数的增加越来越困难，一般认为利用自然太阳光的屋外量测，虽然采光条件、大气条件，必需作某种程度的变化同时补正，不过整体而言实用性非常高。在自然太阳光下进行太阳光能电板cell module的输出量测，由于太阳光能电板的分光感度入射角依存性，会造成1～2％的量测误差，因此未来仍有待克服。

结语

以上介绍传统结晶矽、非晶矽、化合物半导体与色素增感型太阳光能电板的技术发展动向，同时深入探讨欧、美、日等国制定的太阳光能电板的量测方法与检测规范。

由于太阳能光电板属于永续电力的关键性元件，因此被视为次世代可携式电子产品的主要电力来源，在此同时有关太阳光能电板的特性检测规范制定，则是这波新科技不可或缺的配套措施。

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