温度对多晶硅太阳电池性能影响的研究

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η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T40°C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：A0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（100~250K）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。Deshmukh[2]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95％～99％）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156mm×156mm。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25°C），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η。将样品加热至65°C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2.1Isc、Voc随温度T的变化根据禁带宽度与温度的关系[4,5]20()gTEET(1)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/dT[6]00()/1()/0()[()]ggqVocVkTrrqVocVkTgdIscqArTeATdTkTVocVdVocedTT(2)00/ggVEq(3)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，Eg0~1.2eV；k——Boltzman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1~4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]：0(/)gVVocrkTqdVocdTT(4)对于由10片电池组成的小型实验组件，'0010ggVV。表1电池单体和组件dVoc/dT与dIsc/dT的比较Table1ComparisonbetweendVoc/dTanddIsc/dTofbothsolarcellsandmodules1#单体2#单体1#组件2#组件Voc/mV618.2620.961196104dVocdT/mV·°C-1-3.13-2.85-20.20-19.40/dVocdTVoc/°C-10.51%0.46%0.33%0.32%Isc/mA6436.97670.579489253dIscdT/mA·°C-112.195.617.413.43/dIscdTIsc/°C-10.12%0.07%0.09%0.04%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Vg0~1.2V，r~3，k=1.38×10-23J/K,q=1.6×10-19C,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2dVoc/dT的理论计算值与实验线性拟合值的比较Table2ComparisonbetweentheoreticalvaluesandexperimentvaluesofdVoc/dTintheexperimenttemperature温度范围/°CdVocdT/mV·°C-1dVocdT/mV·°C-1理论计算值实验线性拟合值#1单体25.1~65.1-2.25~-2.37-3.13#2单体25.2~66.2-2.22~-2.32-2.85#1组件23.1~63.2-19.74~-19.74-20.202#组件22.7~58.0-19.68~-19.72-19.40706050403020620600580560540520500480温度T/˙C开路电压Voc/mV#1单体#2单体a60504030206200610060005900580057005600550054005300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.1ComparisonoflinearregressionlineofexperimentalVocvaluesbetween#1and#2solarcells(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。2.2Rs、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。7060504030767574737271706968温度T/˙C填充因子FF/%#1单体实验值#1单体理论值（a）70605040302079787776757473727170温度T/˙C填充因子FF/%#2单体实验值#2单体理论值（b）图2FF理论值和实验值随温度T的变化关系Fig.2TheoreticalvaluesandexperimentalvaluesofFFinfluencedbytemperatureT填充因子FF的值受到很多参数的制约，Priyanka[9]给出(/)/[1(/)(Im)/(Im/)(1/)(/Im)]thFFVmVocnVVmRsIscVmmIscVmRshRshVmRs（5）/thVkTq（6）其中，n——二极管理想因子；m——Rs随电压V的变化因子。取n=1，m=0，则(/)/[1(/)(Im)/(1/)(/Im)]thFFVmVocVVmRsIscVmRshVmRs（7）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40°C之前，FF随温度T的变化并没有明显的规律可循，当温度T40°C，FF随T升高明显下降。2.3Pm、η随温度的变化电池单体的最大输出功率Pm和转换效率η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。7060504030203.63.43.23.02.82.62.42.215141312111098温度T/˙C最大输出功率Pm/W效率η/%#1单体Pm#2单体Pm#1单体η#2单体η(a)605040302042403836343230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、η及组件Pm随T变化实验值的线性回归直线对比图。Fig.3ComparisonoflinearregressionlineofPmandηinfluencedbyT根据太阳电池转换效率公式η=Pm/P0，当入射光P0恒定时，Pm和η成正比。如图3（a），Pm和η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η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，η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T40°C范围内，FF和T之间没有明确的依赖关系；当T40°C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]AroraJD,VermaAV,MalaBhatnagar.Variationofseriesresistancewithtemperatureandilluminationlevelindiffusedjunctionpoly-andsingle-crystallinesiliconsolarcells[J].JMaterSciLett,1986,5:1210—1212.[2]DeshmukhMP,NagarajuJ.MeasurementofsiliconandGaAs/Gesolarcelldeviceparameters[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells,2005,89(4):403—408.[3]DeSotoW,KleinSA,BeckmanWA.Improvementandvalidationofamodelforphotovoltaicarrayperformance[J].SolarEnerg