【原创】温度对串并联单晶硅太阳能电池电性能的影响 - 光伏时代杂志

【原创】温度对串并联单晶硅太阳能电池电性能的影响

时间: 2015-11-14 / 分类: 技术 / 《光伏时代》杂志 0个评论 发表评论

《光伏时代》PVTIME版权所有,未经书面许可转载必究。作者:赵朋松,王尚鑫,李吉,麻增智,王惠 译

(晶澳太阳能有限公司 ,河北 邢台 055550)

摘要:本文使用太阳模拟器研究了温度对串、并联单晶硅太阳能电池电性能的影响。本试验在光照强度550W/cm2持续光照下测试了单个、串联、并联单晶硅太阳能电池在25-60℃范围内的电性能。实验发现电性能参数开路电压、最大功率、填充因子、效率都随着温度的升高而降低,仅有短路电流会随着温度的升高而升高。实验结果表明:串、并联晶硅太阳能电池遵从基尔霍夫定律且温度对太阳能电池的电性能有很大影响。

关键词:硅太阳能电池、电性参数、温度、太阳模拟器

1 引言

太阳能作为一种易利用、成本低、清洁能源,将会成为未来世界基础能源之一。太阳能也是一种可再生、低碳能源,可量测且技术成熟,可以满足全球对不断增长用电量的需求。在太阳能技术中,太阳光伏技术得到了广泛的应用,全球0.87%的用电是由太阳能发电提供的。太阳能电池是光伏能量系统中最重要的一部分,根据光生伏特效应太阳能电池可以直接把光能转换成电能。硅是一种生产太阳能电池的重要原材料[1],例如光伏行业使用的多晶硅。硅太阳能电池是太阳能的一部分,在光伏技术领域具有应用潜力。单晶硅技术发展快,具有可满足社会能源需求的潜力[2]。由于单晶硅太阳能电池维护成本低、可靠性高、无噪音、绿色环保[3],单晶硅太阳能电池发展快、应用广。太阳能电池的电性能受光强、追踪角、电池温度等环境因素的影响。太阳能电池的转换效率范围为5%-18%。非晶硅电池的效率最低,单晶硅电池的效率最高。以额定工作温度为基础,电池效率受温度影响较大,根据电池生产商提供的说明书,电池的正常工作温度为45℃±2℃。温度是影响电池质量和电性能(开路电压、短路电流、最大功率、填充因子、效率)的主要因素[4]。电流电压特性符合公式:

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公式中I0反向饱和电流,q电子电荷,n二极管理想因子,K玻尔滋曼常数,T温度,Rs串阻,Rsh并阻,IL光生电流。

Radziemska [5]研究报道了温度对硅太阳能电池和二极管的正向暗电流电压特性的影响。他发现在持续100mA正向电流条件下,太阳能电池和二极管正向电压随温度的变化率为-2mV/K、1mA/K。Cuce等人[6]研究了光强、温度对光伏太阳能电池参数的影响。Ghitas研究了入射太阳辐射光谱变化强度对太阳能电池电性的影响,发现太阳能光谱向红外方向移动,组件电性能变差。Lin等人[7]使用分数阶增量电导法测试了光伏阵列的最大功率。Khan等人[8]开发了一种分析方法在强光照下以太阳能电池指数模型为基础利用单个二极管的I-V曲线可以计算出二极管参数(串阻、并阻、 理想因子、反向饱和电流)。Taguchi等人[9]通过改变非掺杂非晶硅薄层的厚度深入研究了温度对本征薄层异质结(HIT)电池的影响。三洋公司Mishima等人[10]也指出了HIT太阳能电池的发展现状。

尽管有文献综述说明了温度是影响单晶硅太阳能电池的一个重要因素。但没有相关温度对串、并联电池电性能影响的研究。因此,本文研究了温度对串、并联单晶硅太阳能电池电性能的影响。本次试验使用太阳模拟器在光照强度550W/cm2持续光照下测试单个、串联、并联单晶硅太阳能电池在25-60℃范围内的电性能并计算出开路电压、短路电流、最大功率、填充因子和效率等参数。我们计算并详细讨论了各个参数的温度系数。

2 实验设计

本次研究使用两片单晶硅太阳能电池(4*4cm2),利用太阳模拟器测试其电性能。使用带有两个石英卤素灯的太阳模拟器在光照强度550W/cm2持续光照下测试单个、串联、并联单晶硅太阳能电池在25-60℃范围内的电性能。使用太阳能功率计测试卤素灯的光照强度。图1是两个单晶硅太阳能电池串、并联的示意图。在测试过程中使用一个排风机持续对太阳模拟器降温。利用由加热器和温度传感器组成的温度控制系统来改变单晶硅太阳能电池的温度,使温度被控制和稳定在我们需要的温度(20-80℃)。使用单晶硅太阳能电池作为电源,测试I-V、P-V曲线。

3 实验结果和讨论

图2-4是光照强度550W/cm2持续光照下测试单个电池、串、并联电池在25℃、40℃、50℃和60℃条件下的I-V、P-V曲线。

很明显温度对单个电池、串并联电池的I-V、P-V特性影响很大。在I-V曲线中,电压较低时,电流几乎是一个常数,温度越高电流越大,该趋势符合温度对电流的影响规律。但单个、串、并联电池的电流趋势分别在0.3V、0.7V、0.43V时发生反转。温度越高电流越小且电流随着电压的升高快速降低,电流最小大约是8-10mA。原因可归因于:随着温度的升高载流子产生速率增大,反向饱和电流快速增大。P-V曲线和I-V曲线的趋势类似。电压较低时,随着电压的增大,输出功率几乎呈线性增长趋势;达到最大点后,输出功率快速降低。P-V曲线有最高点,最高点处的电压、电流均比开路电压、短路电流低。这个结果和以前单个单晶硅太阳能电池的研究结果相吻合。串、并联单晶硅太阳能电池的电流、电压遵循基尔霍夫定律。串联电池的输出电压是两个单个电池的两倍,电流和单个电池相同;并联电池的电压和单个电池相同,电流是单个电池的两倍。

图5和表1是不同温度条件下的单个、串、并联电池的电性能数据(Voc、Isc、FF)。很明显随着温度的升高,单个、串、并联单晶硅太阳能电池的Voc和FF略微下降,Isc升高。温度对Uoc的影响较大,对Isc的影响较小。Voc和接触电势差VD呈指数关系,VD由以下公式得出:

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ND施主杂质浓度,NA受主杂质浓度,ni本征载流子浓度。随着温度的升高,ni快速增大,VD和Voc 降低。Isc和产生载流子的数量以及载流子的迁移率呈指数关系,也强烈依赖于载流子的产生速率和扩散长度。随着温度的升高,载流子的生成速度增大,Isc增大。这和以前相关的研究结果相符。我们计算了Voc、Isc、FF相应的温度系数。单个、串、并联单晶硅太阳能电池Voc温度系数分别是-0.00012/℃、-0.00028/℃、-0.00011/℃,研究结果表明Voc随着温度的升高而降低。单个、串、并联单晶硅太阳能电池Isc温度系数分别是0.0005/℃、0.0004/℃、0.0002/℃,表明Isc随着温度的升高略微升高。这和Kamkird等人之前的研究结果相符。FF通过以下公式计算得出:

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Vmax最大功率点电压,Imax最大功率点电流。FF随着温度的升高而降低,由于并联电池电阻损失较大,FF相对较低。单个、串、并联单晶硅太阳能电池FF温度系数分别是-0.0023/℃、-0.0020/℃、-0.0021/℃。

表2是不同温度条件下的单个、串、并联单晶硅太阳能电池的最大输出功率Pmax、转换效率η数据。转化效率η由以下公式计算得出:

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I(t)光强密度,A太阳能电池表面面积。单个、串、并联单晶硅太阳能电池的最大输出功率Pmax、转换效率η均随着温度的升高而降低。单个、串、并联单晶硅太阳能电池的最大输出功率Pmax的温度系数范围分别是:-(0.096-0.0734)/℃,-(0.221-0.506)/℃,-(0.207-0.407)/℃。由于单晶硅太阳能电池相应的表面积增加,串并联单晶硅太阳能电池的转换效率比单个电池的低。单个、串、并联单晶硅太阳能电池的转化效率η的温度系数范围是-(0.006-0.094)/℃,-(0.0125-0.0228)/℃,-(0.0117-0.0203)/℃,说明转化效率随着温度的升高而降低。根据厂家提供的生产说明书,太阳能电池的工作温度是45℃±2℃,在额定工作温度下,电池效率受温度影响较大。超过额定工作温度后,随着温度的升高,效率明显下降,效率和温度呈线性关系。这和Khan、Menes-Rodriguez、Coello等人的研究结果相符。

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图1.单晶硅太阳能电池的串并联示意图。

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图2.单个单晶硅太阳能电池不同温度条件下的I-V、P-V曲线。
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图3.串联单晶硅太阳能电池不同温度条件下的I-V、P-V曲线。
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图4.并联单晶硅太阳能电池不同温度条件下的I-V、P-V曲线。
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图5.单个、串、并联单晶硅太阳能电池Voc、Isc、FF随温度变化曲线。
表1
单个、串、并联单晶硅太阳能电池的Voc、Isc、FF数据
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表2
单个、串、并联单晶硅太阳能电池的Pmax、η数据

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4 结论

本文研究了温度对单个、串、并联单晶硅太阳能电池电性能的影响。在光照强度550W/cm2持续光照下测试了单个、串联、并联单晶硅太阳能电池在25-60℃范围内的电性能。发现开路电压、最大功率、填充因子、效率都随着温度的升高而降低;只有短路电流随着温度的升高而升高,这与随着温度的升高载流子的产生速率增大有关。实验结果表明串联、并联单晶硅太阳能电池遵循基尔霍夫定律且电池温度对电池电性能的影响较大。

参考文献

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