1、温度对光伏组件性能的影响分析曹晓宁 1 闻震利 2( 1. 中广核太阳能开发有限公司 100048; 2. 镇江大全太阳能有限公司 212211)太阳能利用是解决能源危机和环境问题的必由之路，各国对太阳能的利用越来越重视。光伏发电是太阳能利用发展最迅猛的领域，据不完全统计，目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过 40GWp，而且在持续高速增长。光伏发电是依靠光伏组件利用光伏伏打效应直接将太阳能转换为电能，作为光伏发电的核心元件，组件的效率直接决定了电站的发电量。通常太阳电池的效率指的是标准条件下的组件的效率，标准条件具体是指：温度 25，光谱分布 AM1.5，辐照强度是1000W/m2，
2、组件的标称功率也是在标准条件下的测试结果。组件是一种光电子半导体器件，温度是影响其性能的重要因素，本文系统研究分析温度对组件性能的影响。1.光伏组件原理太阳电池是光伏发电的最小的基本单元，由于其输出电压很小，而且耐候性差，因此无法直接用于发电，通常将太阳电池片利用各种辅材封装串联组合在一起构成光伏组件，才能直接用于光伏发电。太阳电池是利用光生伏特效应把太阳能直接转换成电能的半导体器件，其本质上就是一个大面积的 PN 结，当太阳光照射到电池表面是，被吸收的光子会在 P 区和 N 区产生电子空穴对，当电子空穴对扩散至 PN 结的空间电荷区，在 PN 结的内建电场作用下而分离，电子移向低电位 N 区
3、，空穴移向 P 区，由于电子和空穴的积累，P 区和 N 区间就产生了光生电动势，这时如果接通电路，就会形成电流，实现太阳能到电能的转换。当光照条件下的太阳电池接入负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳电池的工作状况可以用图 1-1 所示的等效电路来描述。图中把太阳电池看成能稳定地产生光电流 IL 的电流源（只要光源稳定） ，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻 Rsh。图 1 太阳电池等效电路图光照条件的太阳电池被短路时，PN 结处于零偏压，这是短路电流等于光生电流，正比于入射光强，即 ，当太阳电池开路时，若不考虑串并联电阻的影响，开路电压LscI与短路电流
4、的关系为： .(1)1IlnqkOscocTV其中 n 是二极管的品质因子，k 是波尔兹曼常数，T 是开尔文温度，q 是电子电量，I o是二极管的反向饱和电流。2.温度对光伏组件的影响像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高会导致太阳电池的开路电压降低，短路电流会略微增加，如图 2 所示，总体的结果是输出功率降低，下面进行详细分析。图 2 不同温度组件的 I-V 曲线太阳电池的开路电压是由 PN 的内建电势决定的，随着光照强度增加，组件的开路电压会增加，但是最大只能增加到内建势垒消失，因此 Voc 的极限值是内建电势 Vbi，其表达式为： (2)2iADbinNLqkTV
5、其中 k 是波尔兹曼常熟，T 是开尔文温度，q 是电子电量，N D 是施主浓度，N A 是受主浓度，n i 是本征载流子浓度。像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。因为随着温度的升高，材料中的电子能量会提高，因此破坏共价键所需的能量更低，在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度变小，而半导体禁带宽度变小会影响半导体材料的各项参数，进而影响太阳电池的效率。具体说来，半导体材料的禁带宽度变小，本征载流子浓度会变大，则 PN 结的内建势变小，光伏组件的开路电压会变小。下面章节利用半导体器件的理论进行推导，定量计算温度对光伏组件电性能的影响。根据半导体器件理论，PN
6、结的反向饱和电流可用下式表示：.(3)D2ioLNnqAI其中 q 为电子电量，A 是 PN 结的面积，D 为少数载流子的扩散系数，L 为少数载流子的扩散长度，N D 为施主掺杂浓度，n i 为本征载流子浓度。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越小本征载流子浓度越高）以及载流子的能量（载流子能量越高浓度越高） ，外界环境因素中温度对本征载流子浓度 ni 的影响最大。关于本征载流子的方程为：(4)kT-E3kTE23*he322i G0G0eBmk4n其中 T 为开尔文温度，h 是普朗克常数，k 是波尔兹曼常数，m e 和 mh 分别是电子和空穴的有效质量；E G0 为禁带宽度，B 是一个常
7、数。将方程（4）带入式（3） ，整理即可得到：(5)KTKTEDLNAIGG00-E330 eeq式中 B为一个不受温度影响的常数。根据式（5）可以推算对于温度接近于室温的硅太阳电池，温度每升高 10C，反向饱和电流 Io 大约将增大一倍。把式（5）代入到式（1）中，整理便可得到 Io 对开路电压的影响。.(6) KTqVn3q enqnG0 KT-qV3scscscc G0LBIKT BLITILIVSCOSCOO其中 VG0=EG0/q。若忽略短路电流 Isc 随温度的变化对开路电压 Voc 的影响，则可得到：(7)q3k-dTGOCoc由上式可知太阳电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，
8、即电池的开路电压越大，受温度的影响就越小。对于硅来说，禁带宽度 EG0 为 1.12eV，则开路电压的变化为大约2.2mV/。当温度升高时，短路电流 Isc 会轻微地上升，因为当禁带宽度 EGO 减小时，将有更多的光子能激发电子空穴对。但是这种影响很小，硅太阳电池中短路电流受温度影响程度约为： C/06.dTI1SC硅太阳电池的填充因子 FF 受温度的影响为： C/015./1VFOC则硅太阳电池输出功率受温度的影响为： C/0.5.4-dTP1 dTIdTm SCOocvar 到 F综上可知，在 20100范围，每升高 1硅太阳电池的开路电压减小约 2mV，每升高 1硅太阳电池的短路电流大约
9、增加 0.06%，综合结果是导致功率下降，温度升高太阳电池的输出功率下降，其特征温度系数约为-0.4/。3.温度对光伏电站发电量的影响本节对同一光伏电站中不同厂家的组件的发电量进行比较，分析验证温度对组件发电量的影响。对于两个厂家的供货组件中随机抽取 8 块，送至第三方实验室进行功率标定，测试结果表 1 所示，从测试结果可以看到，厂家 A 供货组件的功率要明显高于厂家 B 的功率，超过 2%。表 1 功率统计信息厂家8 块抽样组件厂家测试平均功率/Wp8 块抽样组件实验室测试平均功率/Wp供货组件厂家测试平均功率/WpA 235.65 237.425 235B 231.74 229.75625
10、 235这两个厂家的组件采用不同的背板材料，组件的散热效果不同，实际运行时组件的问题也自然不同，图 3 和图 4 分别是在同一时间两个厂家组件的背板温度分布图，从图中可以看到 B 厂家组件的温度要比 A 厂家组件的温度低约 5。这两个厂家的组件两个月的发电量如图 5 所示，从图中可以看到在绝大部分时间两个厂家的发电量几乎相当，个别时间是由于系统故障导致发电量差别较大。综合组件功率和运行温度的对比，可以得知温度对组件的功率输出有较大影响，温度升高会导致组件输出功率减低，特征温度系数约为0.4%/ ，与理论计算值一致。图 3 A 厂家组件的背板温度图 4 B 厂家组件的背板温度4.改善措施根据前面
11、理论分析，太阳电池的开路电压越高，温度的影响越小，可以通过材料的更换和工艺的改进提供太阳电池的开路电压，以降低温度的影响；提升太阳电池温度的热量来自太阳光照，即未转换为电能的太阳光几乎都转换为热能，因此提高电池的效率可以从极大的降低太阳电池的温度；组件的封装材料对太阳电池的散热有很大影响，选择合理的封装材料，优化封装设计和工艺，提升散热效果，可以降低组件的问题。010203040506015020250303504045050506065070 日发电量/kWh 天 数 厂 家 A厂 家 B图 5 两个厂家单位兆瓦组件的日发电量5.结论温度对光伏组件的性能有很大影响，温度升高会降低组件的输出功率，通过半导体理论分析和光伏电站的实际发电量已经证明组件的温度效应，为提高组件的发电量，可在材料、工艺等方面进行改善提升，以提高电池的效率和组件的散热效果，减弱组件的温度效应，提高其运行的可靠性和发电量。
