温度对多晶硅太阳电池性能影响的研究.doc

温度对多晶硅太阳电池性能影响的研究 贺 炜 1, 2，郭爱娟1，孟凡英1，冯仕猛1 （1.上海交通大学物理系太阳能研究所，上海 200240；2.上海风光能源科技有限公司，上海 201412） 摘 要：对商业用冶金级和太阳能级多晶硅太阳电池不同温度下的性能参数做了分析，验证了太阳能级硅电池的性能优势。实验结 果表明，随着温度T的升高，开路电压Voc，最大输出功率Pm，转换效率近似线性下降，短路电流Isc近似线性上升，填充因子FF 的实验值和理论值变化趋势一致，当T40C时，FF随T升高明显下降。对开路电压Voc随温度T升高的线性下降速率dVoc/dT进行定 量分析。dIsc/dT变化量与dVoc/dT相比可以忽略。 关键词：太阳电池；多晶硅；组件；温度 中图分类号：TM615 文献标识码：A 0 引 言 硅太阳电池由于可靠性高、寿命长、能承受各种 环境变化等优点，成为太阳电池的主要品种，而多晶 硅材料以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，生产时间缩 短，成本下降，是一种较廉价的太阳电池材料。 Arora等1研究表明，在低温区域（100250K） 内，多晶硅电池的串联电阻Rs比单晶硅电池的Rs随温 度下降得更快。Deshmukh2发现理想因子n随温度升 高而下降。Soto等3给出了一个五参数模型，使用制 造商提供的参数，吸收的太阳光辐射和电池温度，结 合半经验公式来预测I-V曲线。本文通过实验测得不 同温度下多晶硅太阳电池单体和组件的各项性能参数， 具体分析了各参数随温度的变化关系及相互之间的影 响。 1 实 验 本实验的样品选用商业用冶金级（纯度为 9599）多晶硅太阳电池和太阳能级（纯度在99. 99999以上）多晶硅电池（本文中也分别称为1#和 2#电池），面积为156mm156mm。实验所用的小型 组件分别由10片这两种电池串联而成。太阳电池单体 及组件性能参数测试仪器采用秦皇岛博硕光电设备有 限公司生产的太阳能电池测试仪。 在标准测试条件下（AM1.5，温度为25C），分 别测试电池单体和组件的性能参数，包括开路电压 Voc，短路电流Isc，最大输出功率Pm，最大功率点电 压Vm，最大功率点电流Im，填充因子FF，以及电池单 体的串联电阻Rs、并联电阻Rsh和转换效率。将样品 加热至65C左右，在降温过程中用红外测温仪监测样 品温度，同时用太阳能电池测试仪测量样品的性能参 数。 2 结果与讨论 2.1 Isc、Voc随温度T的变化 根据禁带宽度与温度的关系4, 5 (1) 2 0 () g T EE T 温度升高，禁带宽度减小，光吸收增加，短路电流 Isc 也随之上升。由 Isc和 Voc之间的关系可推导出 Isc 随温度的变化率 dIsc/dT6 (2) 0 0 ()/ 1 ()/0 () () g g q Voc VkT rr q Voc VkTg dIscq ArTeAT dTkT VocV dVoc e dTT (3) 00 / gg VEq 式中，A与温度无关的常数；Eg0用线性外推 方法得到的零度时制造太阳电池所用半导体材料的禁 带宽度，Eg01.2eV；kBoltzman常数；r包含 确定二极管反向饱和电流I0的其余参数中与温度有关 的因素，通常在14范围内；T电池温度；q 电子电量。理论上，dIsc/dT与公式的其他项相比可以 忽略。 在忽略dIsc/dT的情况下，Voc对于温度T的变化率 dVoc/dT记作6： (4) 0 (/ ) g VVocr kTq dVoc dTT 对于由10片电池组成的小型实验组件，。 00 10 gg VV 表1 电池单体和组件dVoc/dT与dIsc/dT的比较 Table1 Comparison between dVoc/dT and dIsc/dT of both solar cells and modules 1#单体 2#单体 1#组件 2#组件 Voc/mV 618.2 620.9 6119 6104 /mVC-1 -3.13 -2.85 -20.20 -19.40 dVoc dT /C-1 0.51% 0.46% 0.33% 0.32% /dVoc dT Voc Isc/mA 6436.9 7670.5 7948 9253 /mAC-1 12.19 5.61 7.41 3.43 dIsc dT /C-1 0.12% 0.07% 0.09% 0.04% /dIsc dT Isc 表1给出了标准测试条件下测得的电池单体和组 件的Voc、Isc，以及用Minitab软件对各温度下测得的 Voc、Isc线性拟合所得到的dIsc/dT和dVoc/dT值，并计算 dVoc/dT和dIsc/dT与标准测试条件下Voc、Isc的比值。 由表1可以看出，温度升高导致Voc下降，Isc升高。 由于冶金级硅比太阳级硅的杂质、缺陷含量高，#1电 池的Voc和Isc随温度的改变比#2电池剧烈。对于电池单 体，虽然dVoc/dT的绝对值比dIsc/dT小，但是dVoc/dT占 Voc的百分比要大于dIsc/dT占Isc的百分比，也就是说Isc 随温度的上升量与Voc随温度的下降量相比可以忽略。 同样对于组件，dIsc/dT与dVoc/dT相比也可以忽略。 将Vg01.2V，r3，k=1.3810-23J/K, q=1.610-19C, T取实验所测得的温度值，Voc取对应温度下测得的开 路电压值，代入公式（4）计算得到dVoc/dT的理论值， 并列入表2。 表2中电池单体的dVoc/dT实验测量值下降速率大 于理论计算值，而且低温区实验值与理论值的差异比 高温区大3到4个百分点。电池组件的dVoc/dT实验测量 值与理论计算值差异在1%2%。 用Minitab软件对不同温度下测得的#1和#2电池单 体和组件的Voc值进行线性拟合，结果如图1所示。 对于电池单体，由于冶金级电池的杂质和缺陷含 量大于太阳能级电池，所以#1电池的Voc值较小，且 随温度的下降速率比#2电池快。而两者的组件Voc 表2 dVoc/dT的理论计算值与实验线性拟合值的比较 Table2 Comparison between theoretical values and experiment values of dVoc/dT in the experiment temperature 温度范围/C /mVC-1 /mVC-1 dVoc dT dVoc dT 理论计算值 实验线性拟合值 #1单体 25.165.1 -2.25 -2.37 -3.13 #2单体 25.266.2 -2.22 -2.32 -2.85 #1组件 23.163.2 -19.74 -19.74 -20.20 2#组件 22.758.0 -19.68 -19.72 -19.40 706050403020 620 600 580 560 540 520 500 480 度 度 T/ C 开路电压 Voc/mV #1单体 #2单体 a 6050403020 6200 6100 6000 5900 5800 5700 5600 5500 5400 5300 温度 T/C 开路电压 Voc/mV #1组件 #2组件 b 图1 #1和#2电池Voc随T变化实验值的线性回归直线对比图 （a）电池单体；（b）电池组件 Fig.1 Comparison of linear regression line of experimental Voc values between #1 and #2 solar cells (a) Cells； (b) Modules 差异则不是很明显，可能是因为组件封装材料的影响。 决定Voc的主要因素是半导体材料的复合，复合 率越高,Voc越低。根据公式（1） ，温度升高，禁带宽 度减小，导带与价带间载流子的直接复合概率增大， 而且，带间的俄歇复合在窄禁带宽度及高温情况下起 重要的作用7。另外，多晶硅的表面和晶粒边界由于 晶体周期性排列的中断，在晶体能隙中会产生表面态 和界面态，晶界内的杂质富集亦会在带隙中形成缺陷 态8，因此，温度升高使得以杂质和缺陷态为复合中 心的间接复合概率增大。这些原因导致Voc随温度的 升高而下降，从而影响了太阳能电池的性能。 2.2 Rs、Rsh、FF 随温度的变化关系 根据实验所测数据，电池单体的串联电阻 Rs基 本不随温度 T 改变。并联电阻 Rsh随温度升高而下降， 可能是由于 p-n 结区存在的晶体缺陷和杂质沉淀引起 的内部漏电随着温度的升高而加重。Rsh的下降也是 导致 Voc随温度 T 下降的原因。 7060504030 76 75 74 73 72 71 70 69 68 温度 T/C 填充因子 FF/% #1单体实验值 #1单体理论值 （a） 706050403020 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 温度 T/C 填充因子 FF/% #2单体实验值 #2单体理论值 （b） 图 2 FF 理论值和实验值随温度 T 的变化关系 Fig.2 Theoretical values and experimental values of FF influenced by temperature T 填充因子 FF 的值受到很多参数的制约， Priyanka9给出 （5） (/) / 1(/)(Im) / (Im/)(1/)(/ Im) th FFVm Voc nVVmRs IscVm m IscVm RshRsh VmRs （6）/ th VkTq 其中，n二极管理想因子；mRs随电压 V 的 变化因子。 取 n=1，m=0，则 （7） (/) /1(/) (Im) /(1/)(/ Im) th FFVm VocVVm Rs IscVmRsh VmRs 将实验所测得的相关参数值带入到公式（7）中 计算出相应温度 T 下的 FF 理论值。FF 理论值和实验 值随温度 T 的变化关系如图 2。 由图 2 可知，FF 随温度 T 变化趋势的实验测量 值与理论计算值吻合较好。理论计算值稍大于实验测 量值。考虑到公式（7）中各种因素对 FF 的影响，在 40C 之前，FF 随温度 T 的变化并没有明显的规律可 循，当温度 T40C，FF 随 T 升高明显下降。 2.3Pm、 随温度的变化 电池单体的最大输出功率 Pm和转换效率 以及 组件的 Pm随温度 T 的升高也是近似线性下降的，如 图 3 所示。 706050403020 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 15 14 13 12 11 10 9 8 温度 T/C 最大输出功率 Pm/W 效率 /% #1单体Pm #2单体Pm #1单体 #2单体 (a) 6050403020 42 40 38 36 34 32 30 温度 T/C 最大输出功率 Pm/W #1组件Pm #2组件Pm (b) 图3 电池单体Pm、及组件Pm随T变化实验值的线性回归直线 对比图。 Fig.3 Comparison of linear regression line of Pm and influenced by T 根据太阳电池转换效率公式=Pm/P0，当入射光P0 恒定时，Pm和成正比。如图3（a） ，Pm和的下降速 率基本一致。而且，无论是电池单体还是组件，冶金 级电池最大输出功率Pm和转换效率分别要低于太阳 能级电池的相应值，所以，用杂质及缺陷含量少的太 阳级硅制造电池可以获得较好的电池性能。 3结论 随着温度T升高，除了Isc近似线性上升， Voc，Pm，都近似线性下降。Isc的上升量dIsc/dT与Voc 的下降量dVoc/dT相比可以忽略。FF的实验值与理论 值吻合较好，在T40C时，FF随T升高明显下降。冶 金级多晶硅太阳电池由于杂质和缺陷含量比较多，电 池的各项性能不如太阳能级多晶硅太阳电池。 参考文献 1 Arora J D, Verma A V, Mala Bhatnagar. Variation of series resistance with temperature and illumination level in diffused junction poly- and single- crystalline silicon solar cellsJ. J Mater Sci Lett, 1986, 5: 12101212. 2 Deshmukh M P, Nagaraju J. Measurement of silicon and GaAs/Ge solar cell device parametersJ. Solar Energy Materials 2. Shanghai Eco-energy Ltd., Shanghai 200240, China) Abstract: The performance parameters of metallurgic and solar grade silicon in different temperature were investigated, which validated the superiority of solar grade silicon solar cells. It was shown that open circuit voltage Voc, the maximum output p