溫度對多晶硅太陽電池性能影響的研究

1、溫度對多晶硅太陽電池性能影響的研究賀 煒1, 2，郭愛娟1，孟凡英1，馮仕猛1（1.上海交通大學(xué)物理系太陽能研究所，上海 200240；2.上海風(fēng)光能源科技有限公司，上海 201412）摘 要：對商業(yè)用冶金級和太陽能級多晶硅太陽電池不同溫度下的性能參數(shù)做了分析，驗證了太陽能級硅電池的性能優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，隨著溫度t的升高，開路電壓voc，最大輸出功率pm，轉(zhuǎn)換效率近似線性下降，短路電流isc近似線性上升，填充因子ff的實驗值和理論值變化趨勢一致，當(dāng)t40c時，ff隨t升高明顯下降。對開路電壓voc隨溫度t升高的線性下降速率dvoc/dt進(jìn)行定量分析。disc/dt變化量與dvoc/dt相比可

2、以忽略。關(guān)鍵詞：太陽電池；多晶硅；組件；溫度中圖分類號：tm615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a0 引 言硅太陽電池由于可靠性高、壽命長、能承受各種環(huán)境變化等優(yōu)點，成為太陽電池的主要品種，而多晶硅材料以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程，生產(chǎn)時間縮短，成本下降，是一種較廉價的太陽電池材料。arora等1研究表明，在低溫區(qū)域（100250k）內(nèi)，多晶硅電池的串聯(lián)電阻rs比單晶硅電池的rs隨溫度下降得更快。deshmukh2發(fā)現(xiàn)理想因子n隨溫度升高而下降。soto等3給出了一個五參數(shù)模型，使用制造商提供的參數(shù)，吸收的太陽光輻射和電池溫度，結(jié)合半經(jīng)驗公式來預(yù)測i-v曲線。本文通過實驗測得不同溫度下多晶硅太陽電池單體和組件

3、的各項性能參數(shù)，具體分析了各參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系及相互之間的影響。1 實 驗本實驗的樣品選用商業(yè)用冶金級（純度為9599）多晶硅太陽電池和太陽能級（純度在99. 99999以上）多晶硅電池（本文中也分別稱為1#和2#電池），面積為156mm156mm。實驗所用的小型組件分別由10片這兩種電池串聯(lián)而成。太陽電池單體及組件性能參數(shù)測試儀器采用秦皇島博碩光電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的太陽能電池測試儀。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（am1.5，溫度為25c），分別測試電池單體和組件的性能參數(shù)，包括開路電壓voc，短路電流isc，最大輸出功率pm，最大功率點電壓vm，最大功率點電流im，填充因子ff，以及電池單體的串聯(lián)電阻

4、rs、并聯(lián)電阻rsh和轉(zhuǎn)換效率。將樣品加熱至65c左右，在降溫過程中用紅外測溫儀監(jiān)測樣品溫度，同時用太陽能電池測試儀測量樣品的性能參數(shù)。2 結(jié)果與討論2.1 isc、voc隨溫度t的變化根據(jù)禁帶寬度與溫度的關(guān)系4, 5 (1)20()gteet溫度升高，禁帶寬度減小，光吸收增加，短路電流isc 也隨之上升。由 isc和 voc之間的關(guān)系可推導(dǎo)出 isc隨溫度的變化率 disc/dt6 (2)00()/1()/0()()ggq voc vktrrq voc vktgdiscqarteatdtktvocvdvocedtt (3)00/ggveq式中，a與溫度無關(guān)的常數(shù)；eg0用線性外推方法得到的零

5、度時制造太陽電池所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，eg01.2ev；kboltzman常數(shù)；r包含確定二極管反向飽和電流i0的其余參數(shù)中與溫度有關(guān)的因素，通常在14范圍內(nèi)；t電池溫度；q電子電量。理論上，disc/dt與公式的其他項相比可以忽略。在忽略disc/dt的情況下，voc對于溫度t的變化率dvoc/dt記作6： (4)0(/ )gvvocr ktqdvocdtt 對于由10片電池組成的小型實驗組件，。0010ggvv表1 電池單體和組件dvoc/dt與disc/dt的比較table1 comparison between dvoc/dt and disc/dt of both solar c

6、ells and modules1#單體 2#單體 1#組件 2#組件voc/mv 618.2 620.9 6119 6104/mvc-1 -3.13 -2.85 -20.20 -19.40dvocdt/c-1 0.51% 0.46% 0.33% 0.32%/dvoc dtvocisc/ma 6436.9 7670.5 7948 9253 /mac-1 12.19 5.61 7.41 3.43discdt/c-1 0.12% 0.07% 0.09% 0.04%/disc dtisc表1給出了標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的電池單體和組件的voc、isc，以及用minitab軟件對各溫度下測得的voc、is

7、c線性擬合所得到的disc/dt和dvoc/dt值，并計算dvoc/dt和disc/dt與標(biāo)準(zhǔn)測試條件下voc、isc的比值。由表1可以看出，溫度升高導(dǎo)致voc下降，isc升高。由于冶金級硅比太陽級硅的雜質(zhì)、缺陷含量高，#1電池的voc和isc隨溫度的改變比#2電池劇烈。對于電池單體，雖然dvoc/dt的絕對值比disc/dt小，但是dvoc/dt占voc的百分比要大于disc/dt占isc的百分比，也就是說isc隨溫度的上升量與voc隨溫度的下降量相比可以忽略。同樣對于組件，disc/dt與dvoc/dt相比也可以忽略。將vg01.2v，r3，k=1.3810-23j/k, q=1.610-

8、19c, t取實驗所測得的溫度值，voc取對應(yīng)溫度下測得的開路電壓值，代入公式（4）計算得到dvoc/dt的理論值，并列入表2。表2中電池單體的dvoc/dt實驗測量值下降速率大于理論計算值，而且低溫區(qū)實驗值與理論值的差異比高溫區(qū)大3到4個百分點。電池組件的dvoc/dt實驗測量值與理論計算值差異在1%2%。用minitab軟件對不同溫度下測得的#1和#2電池單體和組件的voc值進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1所示。 對于電池單體，由于冶金級電池的雜質(zhì)和缺陷含量大于太陽能級電池，所以#1電池的voc值較小，且隨溫度的下降速率比#2電池快。而兩者的組件voc表2 dvoc/dt的理論計算值與實驗線性擬合

9、值的比較table2 comparison between theoretical values and experiment values of dvoc/dt in the experiment temperature溫度范圍/c /mvc-1 /mvc-1dvocdtdvocdt 理論計算值 實驗線性擬合值#1單體 25.165.1 -2.25 -2.37 -3.13#2單體 25.266.2 -2.22 -2.32 -2.85#1組件 23.163.2 -19.74 -19.74 -20.202#組件 22.758.0 -19.68 -19.72 -19.407060504030206

10、20600580560540520500480度 度 t/ c開路電壓 voc/mv#1單體#2單體a60504030206200610060005900580057005600550054005300溫度 t/c開路電壓 voc/mv#1組件#2組件b圖1 #1和#2電池voc隨t變化實驗值的線性回歸直線對比圖 （a）電池單體；（b）電池組件fig.1 comparison of linear regression line of experimental voc values between #1 and #2 solar cells(a) cells； (b) modules差異則不是很

11、明顯，可能是因為組件封裝材料的影響。決定voc的主要因素是半導(dǎo)體材料的復(fù)合，復(fù)合率越高,voc越低。根據(jù)公式（1） ，溫度升高，禁帶寬度減小，導(dǎo)帶與價帶間載流子的直接復(fù)合概率增大，而且，帶間的俄歇復(fù)合在窄禁帶寬度及高溫情況下起重要的作用7。另外，多晶硅的表面和晶粒邊界由于晶體周期性排列的中斷，在晶體能隙中會產(chǎn)生表面態(tài)和界面態(tài)，晶界內(nèi)的雜質(zhì)富集亦會在帶隙中形成缺陷態(tài)8，因此，溫度升高使得以雜質(zhì)和缺陷態(tài)為復(fù)合中心的間接復(fù)合概率增大。這些原因?qū)е聉oc隨溫度的升高而下降，從而影響了太陽能電池的性能。2.2 rs、rsh、ff 隨溫度的變化關(guān)系根據(jù)實驗所測數(shù)據(jù)，電池單體的串聯(lián)電阻 rs基本不隨溫度 t

12、 改變。并聯(lián)電阻 rsh隨溫度升高而下降，可能是由于 p-n 結(jié)區(qū)存在的晶體缺陷和雜質(zhì)沉淀引起的內(nèi)部漏電隨著溫度的升高而加重。rsh的下降也是導(dǎo)致 voc隨溫度 t 下降的原因。7060504030767574737271706968溫度 t/c填充因子 ff/%#1單體實驗值#1單體理論值（a）70605040302079787776757473727170溫度 t/c填充因子 ff/%#2單體實驗值#2單體理論值（b）圖 2 ff 理論值和實驗值隨溫度 t 的變化關(guān)系fig.2 theoretical values and experimental values of ff influen

13、ced by temperature t填充因子 ff 的值受到很多參數(shù)的制約，priyanka9給出 （5）(/) /1(/)(im) /(im/)(1/)(/ im)thffvm vocnvvmrs iscvmm iscvm rshrsh vmrs （6）/thvktq其中，n二極管理想因子；mrs隨電壓 v 的變化因子。取 n=1，m=0，則 （7）(/) /1(/)(im) /(1/)(/ im)thffvm vocvvmrs iscvmrsh vmrs將實驗所測得的相關(guān)參數(shù)值帶入到公式（7）中計算出相應(yīng)溫度 t 下的 ff 理論值。ff 理論值和實驗值隨溫度 t 的變化關(guān)系如圖 2。

14、由圖 2 可知，ff 隨溫度 t 變化趨勢的實驗測量值與理論計算值吻合較好。理論計算值稍大于實驗測量值?？紤]到公式（7）中各種因素對 ff 的影響，在40c 之前，ff 隨溫度 t 的變化并沒有明顯的規(guī)律可循，當(dāng)溫度 t40c，ff 隨 t 升高明顯下降。2.3pm、 隨溫度的變化電池單體的最大輸出功率 pm和轉(zhuǎn)換效率 以及組件的 pm隨溫度 t 的升高也是近似線性下降的，如圖 3 所示。7060504030203.63.43.23.02.82.62.42.215141312111098溫度 t/c最大輸出功率 pm/w效率 /%#1單體pm#2單體pm#1單體#2單體(a)605040302

15、042403836343230溫度 t/c最大輸出功率 pm/w#1組件pm#2組件pm(b)圖3 電池單體pm、及組件pm隨t變化實驗值的線性回歸直線對比圖。fig.3 comparison of linear regression line of pm and influenced by t根據(jù)太陽電池轉(zhuǎn)換效率公式=pm/p0，當(dāng)入射光p0恒定時，pm和成正比。如圖3（a） ，pm和的下降速率基本一致。而且，無論是電池單體還是組件，冶金級電池最大輸出功率pm和轉(zhuǎn)換效率分別要低于太陽能級電池的相應(yīng)值，所以，用雜質(zhì)及缺陷含量少的太陽級硅制造電池可以獲得較好的電池性能。3結(jié)論隨著溫度t升高，除了

16、isc近似線性上升，voc，pm，都近似線性下降。isc的上升量disc/dt與voc的下降量dvoc/dt相比可以忽略。ff的實驗值與理論值吻合較好，在t40c時，ff隨t升高明顯下降。冶金級多晶硅太陽電池由于雜質(zhì)和缺陷含量比較多，電池的各項性能不如太陽能級多晶硅太陽電池。參考文獻(xiàn)1 arora j d, verma a v, mala bhatnagar. variation of series resistance with temperature and illumination level in diffused junction poly- and single- crystall

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