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趙朋松，王尚鑫，李吉，麻增智，王惠 譯

（晶澳太陽能有限公司 ，河北 邢臺 055550）

摘要：

本文使用太陽模擬器研究了溫度對串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池電性能的影響。本試驗在光照強度550W/cm2持續(xù)光照下測試了單個、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能。實驗發(fā)現(xiàn)電性能參數(shù)開路電壓、最大功率、填充因子、效率都隨著溫度的升高而降低，僅有短路電流會隨著溫度的升高而升高。實驗結(jié)果表明：串、并聯(lián)晶硅太陽能電池遵從基爾霍夫定律且溫度對太陽能電池的電性能有很大影響。

關(guān)鍵詞：硅太陽能電池、電性參數(shù)、溫度、太陽模擬器

1 引言

太陽能作為一種易利用、成本低、清潔能源，將會成為未來世界基礎能源之一。太陽能也是一種可再生、低碳能源，可量測且技術(shù)成熟，可以滿足全球?qū)Σ粩嘣鲩L用電量的需求。在太陽能技術(shù)中，太陽光伏技術(shù)得到了廣泛的應用，全球0.87%的用電是由太陽能發(fā)電提供的。太陽能電池是光伏能量系統(tǒng)中最重要的一部分，根據(jù)光生伏特效應太陽能電池可以直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。硅是一種生產(chǎn)太陽能電池的重要原材料[1]，例如光伏行業(yè)使用的多晶硅。硅太陽能電池是太陽能的一部分，在光伏技術(shù)領域具有應用潛力。單晶硅技術(shù)發(fā)展快，具有可滿足社會能源需求的潛力[2]。由于單晶硅太陽能電池維護成本低、可靠性高、無噪音、綠色環(huán)保[3]，單晶硅太陽能電池發(fā)展快、應用廣。太陽能電池的電性能受光強、追蹤角、電池溫度等環(huán)境因素的影響。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率范圍為5%-18%。非晶硅電池的效率最低，單晶硅電池的效率最高。以額定工作溫度為基礎，電池效率受溫度影響較大，根據(jù)電池生產(chǎn)商提供的說明書，電池的正常工作溫度為45℃±2℃。溫度是影響電池質(zhì)量和電性能（開路電壓、短路電流、最大功率、填充因子、效率）的主要因素[4]。電流電壓特性符合公式：





公式中I0反向飽和電流，q電子電荷，n二極管理想因子，K玻爾滋曼常數(shù)，T溫度，Rs串阻，Rsh并阻，IL光生電流。

Radziemska [5]研究報道了溫度對硅太陽能電池和二極管的正向暗電流電壓特性的影響。他發(fā)現(xiàn)在持續(xù)100mA正向電流條件下，太陽能電池和二極管正向電壓隨溫度的變化率為-2mV/K、1mA/K。Cuce等人[6]研究了光強、溫度對光伏太陽能電池參數(shù)的影響。Ghitas研究了入射太陽輻射光譜變化強度對太陽能電池電性的影響，發(fā)現(xiàn)太陽能光譜向紅外方向移動，組件電性能變差。Lin等人[7]使用分數(shù)階增量電導法測試了光伏陣列的最大功率。Khan等人[8]開發(fā)了一種分析方法在強光照下以太陽能電池指數(shù)模型為基礎利用單個二極管的I-V曲線可以計算出二極管參數(shù)（串阻、并阻、 理想因子、反向飽和電流）。Taguchi等人[9]通過改變非摻雜非晶硅薄層的厚度深入研究了溫度對本征薄層異質(zhì)結(jié)（HIT）電池的影響。三洋公司Mishima等人[10]也指出了HIT太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀。

盡管有文獻綜述說明了溫度是影響單晶硅太陽能電池的一個重要因素。但沒有相關(guān)溫度對串、并聯(lián)電池電性能影響的研究。因此，本文研究了溫度對串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池電性能的影響。本次試驗使用太陽模擬器在光照強度550W/cm2持續(xù)光照下測試單個、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能并計算出開路電壓、短路電流、最大功率、填充因子和效率等參數(shù)。我們計算并詳細討論了各個參數(shù)的溫度系數(shù)。

2 實驗設計

本次研究使用兩片單晶硅太陽能電池（4*4cm2），利用太陽模擬器測試其電性能。使用帶有兩個石英鹵素燈的太陽模擬器在光照強度550W/cm2持續(xù)光照下測試單個、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能。使用太陽能功率計測試鹵素燈的光照強度。圖1是兩個單晶硅太陽能電池串、并聯(lián)的示意圖。在測試過程中使用一個排風機持續(xù)對太陽模擬器降溫。利用由加熱器和溫度傳感器組成的溫度控制系統(tǒng)來改變單晶硅太陽能電池的溫度，使溫度被控制和穩(wěn)定在我們需要的溫度（20-80℃）。使用單晶硅太陽能電池作為電源，測試I-V、P-V曲線。

3 實驗結(jié)果和討論

圖2-4是光照強度550W/cm2持續(xù)光照下測試單個電池、串、并聯(lián)電池在25℃、40℃、50℃和60℃條件下的I-V、P-V曲線。

很明顯溫度對單個電池、串并聯(lián)電池的I-V、P-V特性影響很大。在I-V曲線中，電壓較低時，電流幾乎是一個常數(shù)，溫度越高電流越大，該趨勢符合溫度對電流的影響規(guī)律。但單個、串、并聯(lián)電池的電流趨勢分別在0.3V、0.7V、0.43V時發(fā)生反轉(zhuǎn)。溫度越高電流越小且電流隨著電壓的升高快速降低，電流最小大約是8-10mA。原因可歸因于：隨著溫度的升高載流子產(chǎn)生速率增大，反向飽和電流快速增大。P-V曲線和I-V曲線的趨勢類似。電壓較低時，隨著電壓的增大，輸出功率幾乎呈線性增長趨勢；達到最大點后，輸出功率快速降低。P-V曲線有最高點，最高點處的電壓、電流均比開路電壓、短路電流低。這個結(jié)果和以前單個單晶硅太陽能電池的研究結(jié)果相吻合。串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的電流、電壓遵循基爾霍夫定律。串聯(lián)電池的輸出電壓是兩個單個電池的兩倍，電流和單個電池相同；并聯(lián)電池的電壓和單個電池相同，電流是單個電池的兩倍。

圖5和表1是不同溫度條件下的單個、串、并聯(lián)電池的電性能數(shù)據(jù)（Voc、Isc、FF）。很明顯隨著溫度的升高，單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的Voc和FF略微下降，Isc升高。溫度對Uoc的影響較大，對Isc的影響較小。Voc和接觸電勢差VD呈指數(shù)關(guān)系，VD由以下公式得出：

ND施主雜質(zhì)濃度，NA受主雜質(zhì)濃度，ni本征載流子濃度。隨著溫度的升高，ni快速增大，VD和Voc 降低。Isc和產(chǎn)生載流子的數(shù)量以及載流子的遷移率呈指數(shù)關(guān)系，也強烈依賴于載流子的產(chǎn)生速率和擴散長度。隨著溫度的升高，載流子的生成速度增大，Isc增大。這和以前相關(guān)的研究結(jié)果相符。我們計算了Voc、Isc、FF相應的溫度系數(shù)。單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池Voc溫度系數(shù)分別是-0.00012/℃、-0.00028/℃、-0.00011/℃，研究結(jié)果表明Voc隨著溫度的升高而降低。單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池Isc溫度系數(shù)分別是0.0005/℃、0.0004/℃、0.0002/℃，表明Isc隨著溫度的升高略微升高。這和Kamkird等人之前的研究結(jié)果相符。FF通過以下公式計算得出：



Vmax最大功率點電壓，Imax最大功率點電流。FF隨著溫度的升高而降低，由于并聯(lián)電池電阻損失較大，F(xiàn)F相對較低。單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池FF溫度系數(shù)分別是-0.0023/℃、-0.0020/℃、-0.0021/℃。

表2是不同溫度條件下的單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的最大輸出功率Pmax、轉(zhuǎn)換效率η數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)化效率η由以下公式計算得出：

I(t)光強密度，A太陽能電池表面面積。

單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的最大輸出功率Pmax、轉(zhuǎn)換效率η均隨著溫度的升高而降低。單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的最大輸出功率Pmax的溫度系數(shù)范圍分別是：-（0.096-0.0734）/℃，-（0.221-0.506）/℃，-（0.207-0.407）/℃。由于單晶硅太陽能電池相應的表面積增加，串并聯(lián)單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率比單個電池的低。單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率η的溫度系數(shù)范圍是-（0.006-0.094）/℃，-（0.0125-0.0228）/℃，-（0.0117-0.0203）/℃，說明轉(zhuǎn)化效率隨著溫度的升高而降低。根據(jù)廠家提供的生產(chǎn)說明書，太陽能電池的工作溫度是45℃±2℃，在額定工作溫度下，電池效率受溫度影響較大。超過額定工作溫度后，隨著溫度的升高，效率明顯下降，效率和溫度呈線性關(guān)系。這和Khan、Menes-Rodriguez、Coello等人的研究結(jié)果相符。



圖1.單晶硅太陽能電池的串并聯(lián)示意圖。

圖2.單個單晶硅太陽能電池不同溫度條件下的I-V、P-V曲線。

圖3.串聯(lián)單晶硅太陽能電池不同溫度條件下的I-V、P-V曲線。

圖4.并聯(lián)單晶硅太陽能電池不同溫度條件下的I-V、P-V曲線。

圖5.單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池Voc、Isc、FF隨溫度變化曲線。

表1

單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的Voc、Isc、FF數(shù)據(jù)

表2

單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的Pmax、η數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文研究了溫度對單個、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池電性能的影響。在光照強度550W/cm2持續(xù)光照下測試了單個、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能。發(fā)現(xiàn)開路電壓、最大功率、填充因子、效率都隨著溫度的升高而降低；只有短路電流隨著溫度的升高而升高，這與隨著溫度的升高載流子的產(chǎn)生速率增大有關(guān)。實驗結(jié)果表明串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池遵循基爾霍夫定律且電池溫度對電池電性能的影響較大。

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