非晶硅与晶硅太阳电池发电比较分析

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SOLAR ENERGY 07/2013 太阳能 SOLAR ENERGY 17 一引言 70 年代的石油危机，迫使人们把太阳电池作为替代能源加以注意。当时，美国能源部、日本通产省工业技术院均制订了阳光计划，以便对太阳电池进行深入的研究与开发，目的在于降低成本 [1] 。当前，太阳电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种。其中，非晶硅太阳电池的光电转换效率相对较低，但因具有制造成本低、能源消耗回收期短 [2] 、年发电量高等优点，其应用倍受青睐。用户购买太阳电池时，额定输出功率成为考查电池的指标，但该指标是指在标准测试条件下的额定输出功率，即在标准光强下的测试数据， AM1.01000W/m 2 。实际上，在户外使用太阳电池时，光照并非都能达到标准条件，随着天气的变化，太阳电池的输出功率也随即变化。只以额定功率判断电池好坏，并不能如实地反映其性能。在室外真实天气条件下，太阳电池组件的实际发电量才能真实反映电池组件的性能。一般来说，太阳电池的使用寿命是 25 年， 25 年全部发电量才是组件的实际发电量。针对于此，本文在室外相同天气条件下，比较分析非晶硅太阳电池组件和单晶硅太阳电池组件的实际发电量。非晶硅与晶硅太阳电池发电比较分析天津市津能电池科技有限公司 ■ 赵红英李立采用实验测量装置对非晶硅太阳电池组件和单晶硅太阳电池组件的日均发电量进行测试对比，并对非晶硅的温度系数、 I - V 曲线特性及低光强下的吸收特性进行了分析。结果显示非晶硅太阳电池板的发电效能优于单晶硅太阳电池板。非晶硅；太阳电池；发电成本；光致衰退； I - V 特性；吸收系数摘要关键词二实验过程太阳电池发电量是指太阳电池在实际随天气变化而时刻变化的光照情况下对时间的总累积发电量，也就是电压和电流乘积对时间的积分值。电压和电流都随光照情况不同而时刻变化，所以要计算电池发电量需采用固定电压方法，计算出电流值，然后计算一段时间的总发电量。电流测量用安时计计量。即 U m 不变时，太阳电池的发电量的计算公式为 Q U º I t d t 1 实验样品 40W 非晶硅电池电池组件和 40W 单晶硅太阳电池板；实验采用直流负载灯作为模拟负载，电路如图 1 所示。实验配置两套同样仪器测量装置，分别测量非晶硅太阳电池和单晶硅电池组件的发电量。为保证两种太阳电池具有相同图 1 电路图太阳电池电灯负载安时计A a b 技术产品与工程 t 1 t 2 SOLAR ENERGY 07/2013 太阳能 SOLAR ENERGY 18 环境，安装地点、角度都相同，保证温度、光照情况相同。安时计工作电源另设。电池板有晶体硅和非晶硅，其型号和性能参数如表 1 所示。根据表 1 中的电池组件性能参数可知，晶体硅电池组件 V oc 与 V m 相差 3.5V ，该组件外接蓄电池的额度电压一般为 12V ；非晶硅电池组件 V oc 与 V m 相差 15.6V ，该组件外接蓄电池的额定电压一般为 36V 。则可计算得出非晶硅和单晶硅太阳电池板电量，见表 2 。 1000W/m 2 的最大输出功率； a 为电池组件的功率温度系数。如果两种电池组件工作温度为 50 ℃，将相关温度系数带入式 2 ，可知晶体硅电池与非晶硅电池的最大功率衰退情况分别为晶体硅电池 P meffec / P m 87.5 非晶硅电池 P meffec / P m 95.3 也就是说，如果两种电池总额定功率为 1000W ，工作温度为 50 ℃时，晶体硅电池的额定功率降为 875W ，非晶硅电池的额定功率降为 953W 。非晶硅电池多发电 78W ，相当于多发电 7.8 。 2 电池 I-V 特性曲线非晶硅电池和晶体硅电池的 I - V 特性曲线如图 2 、图 3 所示。从表 2 可看出，非晶硅太阳电池板在强光直射和阴天弱光条件下日平均发电量分别为 4.7Wh/W · d 、 1.2 Wh/W · d ，其发电量优于单晶硅电池板。实验结果与日本 Kaneka Corp. 报道的野外实际测量得出的 1000W 同功率的非晶硅电池发电量不低于单晶硅、多晶硅电池组件的结果相吻合。三结果分析与讨论由以上试验可知，在户外相同天气条件下，非晶硅电池板的发电量要优于晶体硅电池。以下将从温度系数、电池 I -V 特性曲线和低光强下的电性能参数 3 个方面进行分析。 1 温度系数非晶硅太阳电池温度系数约为－ 0.19 ，温度系数小。单晶硅、多晶硅电池温度系数约为－ 0.5 ，其计算公式表达式为 P meffec P m [1 a T -25] 2 其中， P meffec 为电池组件在 T 温度工作时 AM1.5 ，表 1 晶体硅和非晶硅电池组件规格参数 P m /W V m /V V oc /V 晶体硅 XQT-40 40.0 17.5 21.0 非晶硅 JN-40 40.0 44.6 60.2 参数电池类型天气情况强太阳光 / 弱光、散射光 / 电池类型 Wh · W · d -1 Wh · W · d -1 非晶硅电池板 4.7 1.2 单晶硅电池板 4.0 0.9 表 2 不同天气情况下不同电池板发电时数组件电压 /V 图 2 非晶硅组件 I - V 曲线 P m 0 10 20 30 40 50 60 70 组件电流 /mA 1500 1250 1000 750 500 250 0 从图 2 、图 3 可以看到，两种电池超过最大输出功率点后曲线变化差距较大。晶体硅电池的输出曲线在超过最大输出功率点后快速下降为 0 ，曲线陡直；而非晶硅电池的输出曲线经过较长一段电压 /V 图 3 晶体硅的 I-V 特性曲线电流 /A 6 5 4 3 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P m 技术产品与工程 SOLAR ENERGY 07/2013 太阳能 SOLAR ENERGY 19 距离后才下降为 0 ，曲线较为平缓。两种电池的 V m 分别约相当于其开路电压的 83 和 74 。对于晶体硅和非晶硅电池，当光强逐渐变弱时，两种电池的 I sc 和 V oc 都会随之降低。当然，减小的较快， V oc 降低的较慢。如果蓄电池做太阳电池阵列的负载的情况下，当太阳电池阵列的有效输出电压小于蓄电池的端电压时，蓄电池就不能被充电。结合表 1 给出的规格参数，可知非晶硅电池和晶体硅电池的 V oc 分别与作为负载的蓄电池电压相差 24.2V 、 9V 。当光强逐渐变弱时，晶体硅电池未满足充电条件，而非晶硅电池由于较大的电压差，在光线很暗时才不能充电，这有效增加了利用太阳光的时间。所以，非晶硅电池会比晶硅电池多产生一些电力。 3 低光强下电池光电性能分析由于非晶硅材料的原子排列无序，其电子跃迁不再遵守传统的 “选择定则” [3] ，因此，非晶硅材料光吸收特性与单晶硅材料存在着较大差异。非晶硅和单晶硅材料的吸收曲线如图 4 所示。非晶硅的吸收曲线具有明显的 A 、 B 、 C 三段特征 [4] 。 A 区对应电子在定域态间的跃迁，如费米能级附近的隙态向带尾态的跃迁，该区的吸收系数较小，约为 1 ～ 10cm -1 ，为非本征吸收； B 区的吸收系数随光子能量的增加指数上升，对应于电子从带边扩展到导带定域态的跃迁，以及电子从价带尾定域态向导带边扩展态的跃迁，该区的能量范围通常只有半个电子伏特左右，但吸收系数通常跨越两三个数量级，达到 10 4 cm -1 ； C 区对应于电子从价带内部到导带内部的跃迁，该区的吸收系数较大，通常在 10 4 cm -1 以上。后两个吸收区是非晶硅材料的本征吸收区。从图 4 可以看到，两条曲线的交点约为 1.8eV 。值得注意的是，在整个可见光范围内 1.7 ～ 3.0eV ，非晶硅材料的吸收系数几乎都比单晶硅大一个数量级。也就是说，在低光强、长波较大的情况下，非晶硅材料仍有较大的吸收系数。再考虑到非晶硅材料的带隙较大，反向饱和电流 I 0 较小。以及如前所述的非晶硅电池 I - V 特性曲线方面的特点，使得非晶硅电池无论在理论上和实际使用中都对低光强有较好的适应。四结论通过实验对非晶硅太阳电池板和单晶硅太阳电池在相同条件下发电量对比，结果表明，在晴天强的太阳光辐照和阴雨天的弱的散射光下，非晶硅太阳电池板均比单晶硅太阳电池板的发电量多，尽管非晶硅太阳电池存在光致衰退 S-W 效应。 S-W 效应是材料中的亚稳态缺陷在辐照和退火的情况下产生的不稳定现象 [5] ，但其电性能衰退遵循先快后慢，最后趋于趋于稳定的规律。本文选取具有良好封装的非晶硅太阳电池组件，其电性能已经充分衰退并趋于稳定。同时，非晶硅电池组件温度系数小， I - V 曲线平缓及低光强下的吸收特性决定了非晶硅电池组件比晶体硅电池组件的发电量高。参考文献 [1] [ 美 ] 施敏 , 刘晓彦 , 贾霖 , 康晋锋 [ 译 ]. 现代半导体器件物理 [M]. 北京科学出版社 , 2002. [2] [ 日 ] 桑野幸德 , 钟伯强马英仁 [ 译 ]. 太阳能电池及其应用 [M]. 北京国防工业出版社 , 1985. [3] 雷永泉 , 万群 , 石永康 . 新能源材料 [M]. 天津天津大学出版社 , 2002. [4] 向贤碧 , 常秀兰 , 廖显伯 , 等 . GaAs 基系Ⅲ -V 族叠层电池的研究 [A], 中国太阳能学会 2001 年学术会议论文摘要集 [C], 2001. [5] 陈治明 . 非晶半导体材料与器件 [M]. 北京科学出版社 , 1991. 基金项目天津市科技支撑重大项目 11ZCZDSF04800 。图 4 非晶硅和单晶硅材料吸收曲线 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 a/cm -1 A B C 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.0 h w/eV 技术产品与工程