1、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V oc，最大输出功率P m，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V oc随温度T 升高的线性下降速率dV oc/dT进行定量分析。dI sc/dT变化量
2、与dV oc/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（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。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
3、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V m，最大功率点电流
4、I m，填充因子FF，以及电池单体的串联电阻R s、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、V oc随温度 T的变化根据禁带宽度与温度的关系 4, 5(1)20()gE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)00()/1()/ggqockTrrVdIscqAeATV(3)0/gEq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
5、的禁带宽度，E g01.2eV；kBoltzman常数；r包含确定二极管反向饱和电流I 0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，dI sc/dT与公式的其他项相比可以忽略。在忽略dI sc/dT的情况下，V oc对于温度T的变化率dVoc/dT记作 6：(4)0(/)gocrkqdcT对于由10片电池组成的小型实验组件， 。01gV表1 电池单体和组件dV oc/dT与dI sc/dT的比较Table1 Comparison between dVoc/dT and dIsc/dT of both solar cells and modules1#单体
6、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 -19.40docT/C-1 0.51% 0.46% 0.33% 0.32%/dVocTIsc/mA 6436.9 7670.5 7948 9253 /mAC-1 12.19 5.61 7.41 3.43s/C-1 0.12% 0.07% 0.09% 0.04%/dIcTs表1给出了标准测试条件下测得的电池单体和组件的V oc、I sc，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dV oc/dT值，并计算dVo
7、c/dT和dI sc/dT与标准测试条件下V oc、I sc的比值。由表1可以看出，温度升高导致V oc下降，I sc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V oc和I sc随温度的改变比#2电池剧烈。对于电池单体，虽然dV oc/dT的绝对值比 dIsc/dT小，但是dV oc/dT占Voc的百分比要大于dI sc/dT占I sc的百分比，也就是说I sc随温度的上升量与V oc随温度的下降量相比可以忽略。同样对于组件，dI sc/dT与dV oc/dT相比也可以忽略。将V g01.2V，r3，k=1.3810 -23J/K, q=1.610-19C, T取实验所测得的温
8、度值，V oc取对应温度下测得的开路电压值，代入公式（4）计算得到dV oc/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dV oc/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V oc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V oc值较小，且随温度的下降速率比#2电池快。而两者的组件V oc表2 dVoc/dT的理论计算值与实验线性拟合值的比较Tabl
9、e2 Comparison between theoretical values and experiment values of dVoc/dT in the experiment temperature温度范围/C /mVC-1 /mVC-1dVocTdoc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 -20.202#组件 22.758.0 -19.68 -19.72 -19.4070605040302062060058056054
10、0520500480度度 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.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
11、因为组件封装材料的影响。决定V oc的主要因素是半导体材料的复合，复合率越高,V oc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、R sh、 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
12、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。R sh 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 2 FF 理论值和实验值随温度 T 的变化关系Fig.2 Theoretical values and experime
13、ntal 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)/I1(I)thFVocnRsVmshRs（6）/thkTq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（7）(/)1(/)IIm)thFVocVRsss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
14、。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。2.3 Pm、 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。7060504030203.63.43.23.02.82.62.42.215141312111098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)605040302042403836343230温 度 T/ C最大输出功率Pm/W#1组 件
15、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=P m/P0，当入射光P 0恒定时，Pm和 成正比。如图3（a） ，P m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P m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
16、。I sc的上升量dI sc/dT与V oc的下降量dV oc/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
17、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 differen
18、t temperature were investigated, which validated the superiority of solar grade silicon solar cells. It was shown that open circuit voltage Voc, the maximum output power Pm and efficiency were decreasing while short circuit current Isc increasing nearly linearly with the raise of temperature T. The
19、change of fill factor FF fitted well with the theoretical values. In the region of T40C, FF decreased obviously with T. The rate of Voc changing with T was analyzed quantificationally, and the value of dIsc/dT could be ignored comparing with dVoc/dT.Keywords: solar cells; multicrystalline silicon; modules; temperature添加通讯作者信息包括：姓名（出生年） ，性别，学历、职称，主要研究方向。E-mail地址贺炜（1967年6月） ，男，硕士、高级工程师主要研究方向：太阳能电池组件、太阳能发电应用E-mail：
