单晶硅太阳电池的温度和光强特性

收稿日期: 2008207223 作者简介:金井升( 1984 ) ) ,男,湖南省长沙市望城人,硕士研究生. 第 2 卷 第 4 期 材 料 研 究 与 应 用 Vo1. 2, No. 4 2 0 0 8 年 1 2 月 MATERIALS RESEARCH AND APPLICAT ION Dec . 2 0 0 8 文章编号: 167329981(2008) 0420498205 单晶硅太阳电池的温度和光强特性 金井升, 舒碧芬, 沈 辉, 李军勇, 陈美园 (中山大学太阳能系统研究所, 广东 广州 510006) 摘 要:利用闪光式电池测试仪在不同温度和光强条件对单晶硅太阳电池进行了测试.研究发现, 当温 度在 25~ 65 e 时,单晶硅太阳电池光照特性的主要参数随着温度呈线性变化. 随着温度的升高, 短路 电流有小幅度上升,填充因子下降, 开路电压的降幅达到 2. 3 mV/ e , 效率降幅高于 0. 075 % / e . 当光 强为 340. 1~ 4251. 2 W/ m2 时,开路电压随着光强的增加呈指数关系增加,效率随着光强的增加先增加 后减小,最大效率值 16. 67%出现在光强为 952. 7 W/m2 的情况下, 填充因子随着光强的增加减小, 串联 内阻的影响可以解释效率和填充因子下降的现象,在聚光条件下太阳电池的峰值功率得到显著提高. 关键词:太阳电池; 温度特性; 光强特性 中图分类号: TK514 文献标识码: A 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝 对主导的地位, 而且这一地位在今后很长一段时间 内不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率, 降低生 产成本,使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争 成为现今光伏时代的主.在状况( 25 e , 1000 W/ m2)下晶体硅太阳电池的最高效率是由新南威 尔士大学保持的 24. 7%.尽管多年来相关研究人员 不断努力, 希望进一步提高晶体硅太阳电池的效率, 但是这一记录到目前为止还没有被刷新.由此可见, 要想提高即使是 0. 1%的效率是多么的困难.但是, 太阳电池的效率会随着温度和光强等应用条件的变 化而发生变化. 如果晶体硅太阳电池在不合适的条 件下工作, 1%效率很可能就损失掉了, 因此从应用 的角度保持或者提高晶体硅太阳电池效率也很重 要.本文用闪光式电池测试仪在不同温度和光强条 件下对单晶硅太阳电池进行了测试, 并分析了其温 度和光强特性, 以优化太阳电池的应用. 1 实验装置和方法 实验中所采用的太阳电池为长条状的普通结构 的单晶硅太阳电池, 主要测试设备为德国 Optosolar 公司的闪光式太阳电池测试仪, 实验装置简图如图 1所示. 图 1 实验装置简图 利用温控设备控制承载电池片的载物台的温 度,可以改变被测电池的温度. 该设备采用的是闪光 光源, 光强每次都不一样, 为了研究在不同温度下电 池的电性能,需要通过软件设置将光强修正到一定 的光强常数值. 本实验将光强修正到 1000 W/ m2 , 温度变化范围为 25~ 65 e (太阳电池在一般情况下 在此温度范围内工作) . 光强的改变主要通过两种方式实现:一是改变 闪光源的实际光强, 此时光强不作修正, 采用实际 值;二是改变被测电池和闪光源之间的距离. 因为参 考电池固定在载物台上, 不方便移动,而且电池测试 仪给出的结果只是参考电池的光强, 因此被测电池 的实际光强值只能通过理论计算求出. 计算的方法 是:在距离改变前, 拟合太阳电池的短路电流 I SC和 光强的线性关系;在距离改变后,被测电池的实际光 强通过实测的 I S C外推进行计算. 实际上,与光强成 线性关系的应是光生电流,光强增大会使光子数目 增加, 光生载流子随之增加.但是在低倍聚光的条件 下,认为 I S C与光强成线性关系是很好的近似[ 1] . 将被测电池移动后, 不方便控制其温度, 可以通 过空调进行小范围调节, 为了排除温度的影响,在测 试时需要将温度修正到固定值. 当然可以通过既调 整闪光光强又调整距离来实现光强更大范围内的变 化.本实验测量了室温( 27 e )下的单晶硅太阳电池 的光强特性. 2 实验结果及分析 2. 1 温度特性 单晶硅太阳电池的特征参数主要包括 I S C、开 路电压 VOC、填充因子 F F 和效率 G, 它们之间的关 系为: G= I S CVOCFFEA , ( 1) 式( 1)中: E 为光强, 本实验 E= 1000 W/ m2 , A 为太阳电池面积. 这四个特征参数的温度特性如图 2所示. 图 2 太阳电池特征参数的温度特性 由图 2可知, I SC , VOC , F F , G这四个参数与温度 呈很好的线性关系.通过线性拟合后,可得到各参数 的温度变化率, 见 1. 表 1 太阳电池特征参数的温度特性 dI SC / dt / (A # e - 1 ) dVOC / dt / ( V # e - 1 ) dFF / dt / ( e - 1 ) dG/ dt / ( % # e - 1 ) - 0. 07565 0. 00121 - 0. 0023 - 0. 00162 从表 1可以看出,单晶硅太阳电池的 I SC随着温 度升高而略微增加, 相对其他参数的温度变化率而 言很小. 短路电流 I SC增加的原因是:单晶硅的禁带 宽度随着温度升高而减小,光吸收增加,这就意味着 能产生更大的 I SC ;载流子的扩散系数随着温度升高 而增大,因此少数载流子的扩散长度也随着温度的 增加而稍有增大[ 2] . VOC随着温度升高而减小,是影响太阳电池效率 降低的主要参数.这是因为 VOC随着反向饱和电流 增加而降低,而反向饱和电流随着温度升高呈指数 增大. 在考虑 dI SC / dT 的影响时,能推导出 dVOC / dT 的理论公式[ 3] ;在忽略 dI SC / dT 的影响时, dVOC / dT 的表达式为: dVOC dT = 1 q E G ( 0) - VOC+ CkTq T , ( 2) 式( 2)中: EG ( 0)是用线性外推方法得到的在 0 K时的硅电池的禁带宽度, C是包含确定反向饱和 的其余参数中与温度有关的因素,数值在 1~ 4范围 内, k为玻尔兹曼常数( 1. 38@10- 23 J/ K) , q为电荷 电量( 1. 6@10- 19 J/ V) .将 VOC = 0. 6 V, EG ( 0) / q= 1. 2 V, C= 3 代入式 ( 2) , 可得到 dVOC / dT= - 2. 3 mV/ K[ 4] . 本实验的结果与之完全符合, 由此可见, 单晶硅太阳电池的 dVOC / dT 很稳定,可以认为是常 数.利用这个特性, 可以在其它条件不变时, 根据 VOC的变化值计算出太阳电池的工作温度. F F 随温度升高而下降是由于并联内阻和串联 内阻的影响.在弱光条件下,并联内阻的影响才会很 显著[ 5] .对于串联内阻, 在假定 n不随温度变化后, 可推导出串联内阻 Rs随着温度升高而上升,理论证 明晶体硅太阳电池 Rs具有正温度系数半导体型内 阻的数学表述形式[ 6] . 从物理机制上可解释为:高于 室温时接触电阻可以忽略不计,基区电阻贡献很小, 扩散层的薄层电阻占优势, 它随温度的升高而升 高[ 7] .而串联内阻增大会降低 FF . 在假设理想因子 #499#第 2 卷 第 4 期 金井升,等:单晶硅太阳电池的温度和光强特性 等于 1 时, 可以推导出 FF 随着温度变化的经验 公式[ 8] . 根据以上三个参数的温度特性值的相对大小及 公式( 1) ,就可以得出效率随着温度升高而降低的结 论.测试的单晶硅太阳电池效率的降幅高于 0. 075 %/ e .也就是说,在标准状况下工作良好的单晶硅 太阳电池, 如果在实际应用时散热效果不理想,在相 同光强下太阳电池在 45 e 工作, 则效率将会减少 1. 5% , 这对太阳电池来说是很严重的效率损失. 因 此,在应用太阳电池时,保证较低的温度是保持电池 效率的重要条件. 2. 2 光强特性 室温为 27 e 时, VOC随着光强的增加呈指数规 律增加,如图 3所示. 图 3 VOC和 E 的关系 将 VOC和E 线性拟合后的公式如下: VOC = 0. 6445- 0. 881@exp( - E1404. 7) . ( 3) 在反向饱和电流不变的条件下,开路电压与光 强在理论上应该是指数关系[ 9] , 本实验的计算结果 和理论完全符合.因此,如果要提高单晶硅太阳电池 的开路电压,不仅可以通过改进太阳电池的结构来 实现,而且可以通过增加聚光光强达到这一目的. G与光强的关系如图 4 所示, 它随着光强的增 加先增加后减小. 当光强值为 952. 7 W时, G最大, 为 16. 67%. 因此,单晶硅太阳电池在不大于 1倍太 阳光强下的效率 G不一定比在大于 1倍太阳光强条 件下的效率 G低,某些单晶硅太阳电池可能不适合 用于聚光环境, 而适合用于普通或者弱光场合.对于 G随着光强的增加先升后降, 有些学者认为这是串 联内阻随着光强的变化逐渐增加的缘故. I SC流过串 联内阻时会产生焦耳热,在低倍聚光条件下, 在假设 串联内阻不随光强变化时,产生的焦耳热与 I SC平方 成正比,即与光强的平方成正比,其在总功率中占据 的比例会逐渐增大.当光强达到一定值时,焦耳热引 起的功率损失超过因光强增加而增加的功率, 所以 G开始下降. 图 4 G和 E 的关系 串联内阻的影响也可以解释图 5中 FF 随光强 增加逐渐下降的现象[ 10] .由图5可知,当 E 从340. 1 W/ m2 增加到 4251. 2 W/ m2 时, FF 从 0. 757降低 到 0. 652. FF 与光强进行二次多项式拟合后能得到 较好的结果. 图 5 FF 和 E 的关系 图 6为同一片电池的最大功率(Pmmp )随光强变 化的情况.由图 6可知, P mmp与光强可以很好地拟合 成线性关系.在低倍聚光下,提高光强能提高电池的 输出功率,这就意味着和标准状况下的电池相比,产 生同样的功率所需要的电池面积更小, 那么所需要 的硅材料就更少或者说同样一片电池在聚光条件下 能发挥更大的作用.但是也不能一味地追求高光强, #500# 材 料 研 究 与 应 用 2 0 0 8 因为一方面随着电池效率的下降, 通过提高光强来 提高功率将变得越来越不明显;另一方面光强增加 会带来温度升高以致增加冷却成本, 同时对聚光器 的要求也会越来越高, 因此, 对晶体硅太阳电池来 说,要在效益与成本之间找到平衡点. 图 6 Pmmp和 E 的关系 3 结 论 单晶硅太阳电池随着温度的升高, I SC小幅度线 性上升, FF 线性下降, 但是下降幅度很小. VOC线性 下降的幅度为 2. 3 mV/ e , 和理论计算值完全吻合, VOC的下降在整个电池的电性能参数的变化中占据 主导地位,效率的温度变化率高于 0. 075 % / e . 如 果没有良好的冷却措施,太阳电池在相对高温的条 件下工作,效率损失非常明显. 当光强为 340. 1~ 4251. 2 W/ m2 时, 随着光强的增加, VOC呈指数规律 增加,为提高单晶硅太阳电池的 VOC提供了一条新 的途径. G随着光强增加先增加后减小;当光强值为 952. 7 W时, G达到最大值 16. 671% . Pmmp随着光强 的增加呈线性增加, 对发挥单晶硅太阳电池的发电 潜力具有重要意义. 参考文献: [ 1] AGARWALI S K, MURALIDHARANI R, AGARWA2 LAT A, et al. A new method for the measurement of se2 ries r esistance of solar cells [ J] . Phys D: Appl Phys, 1981, 14: 164321646. [ 2] 刘恩科.光电池及其应用[ M] . 北京:科学出版社, 1989: 1072108. [ 3] EL2ADAWI M K, AL2NUAIM I A. The temperatur e funct ional dependence of VOC f or a solar cell in r elation to its efficiency new appoach [ J] . Desalination, 2007 ( 209) : 91296. [ 4] 马丁 # 格林. 太阳电池工作原理、工艺和系统的应用 [M] .李秀文, 谢鸿礼, 赵海滨, 等, 译. 北京:电子工业出 版社, 1987: 86287. [ 5] SHARMAT S K, SAMUEL K B, SRINIVASAMUR2 THY N, et al. Overcoming the problems in det ermina2 tion of solar cell series resistance and diode factor [ J] . J Phys D: Appl Phys, 1990, 23: 125621260. [ 6] 程晓舫,李坚, 余世杰.晶体硅太阳电池串联内阻的数 形式[ J] . 太阳能学报, 2004, 25(3) : 3452349. [ 7] ARORA J D, VERMA A V, BHATNAGAR M. 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As the temperatur e went up, the short cur rent increased marginal ly, oppositely, the fill factor decreased, the open voltage also decreased at a rate of 2. 3 mV/ e , and the efficiency decreased at a rate of more than 0. 075%/ e . We explained these theoretical ly. Altering the illumination intensity of the flash between 340. 1 W/ m2 and 4251. 2 W/ m2 , We found when the illuminat ion intensity rose up, the open voltage incr eased exponent ial ly, but the efficiency increased at fir st and then decreased, the highest efficien2 cy 16. 67% showed up at 952. 7 W/ m2 , the fill factor decreased, the last two phenomena can be at t ributed to the ser ies resistanceps effect, the solar cellps max power was improved significant ly when being concentrat2 ed. Key words: solar cells; temperature char acterist ic; il luminat ion intensity characterist ic #502# 材 料 研 究 与 应 用 2 0 0 8