非晶硅與晶硅太陽(yáng)電池發(fā)電比較分析

天津市津能電池科技有限公司 ■ 趙紅英 李立

一 引言

70年代的石油危機(jī)，迫使人們把太陽(yáng)電池作為替代能源加以注意。當(dāng)時(shí)，美國(guó)能源部、日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院均制訂了陽(yáng)光計(jì)劃，以便對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行深入的研究與開(kāi)發(fā)，目的在于降低成本[1]。當(dāng)前，太陽(yáng)電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅三種。其中，非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，但因具有制造成本低、能源消耗回收期短[2]、年發(fā)電量高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用倍受青睞。

用戶購(gòu)買太陽(yáng)電池時(shí)，額定輸出功率成為考查電池的指標(biāo)，但該指標(biāo)是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定輸出功率，即在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的測(cè)試數(shù)據(jù)，AM1.0(1000W/m2)。實(shí)際上，在戶外使用太陽(yáng)電池時(shí)，光照并非都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)條件，隨著天氣的變化，太陽(yáng)電池的輸出功率也隨即變化。只以額定功率判斷電池好壞，并不能如實(shí)地反映其性能。在室外真實(shí)天氣條件下，太陽(yáng)電池組件的實(shí)際發(fā)電量才能真實(shí)反映電池組件的性能。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)電池的使用壽命是25年，25年全部發(fā)電量才是組件的實(shí)際發(fā)電量。針對(duì)于此，本文在室外相同天氣條件下，比較分析非晶硅太陽(yáng)電池組件和單晶硅太陽(yáng)電池組件的實(shí)際發(fā)電量。

二 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

太陽(yáng)電池發(fā)電量是指太陽(yáng)電池在實(shí)際隨天氣變化而時(shí)刻變化的光照情況下對(duì)時(shí)間的總累積發(fā)電量，也就是電壓和電流乘積對(duì)時(shí)間的積分值。

電壓和電流都隨光照情況不同而時(shí)刻變化，所以要計(jì)算電池發(fā)電量需采用固定電壓方法，計(jì)算出電流值，然后計(jì)算一段時(shí)間的總發(fā)電量。電流測(cè)量用安時(shí)計(jì)計(jì)量。即Um不變時(shí)，太陽(yáng)電池的發(fā)電量的計(jì)算公式為：

圖1 電路圖

實(shí)驗(yàn)樣品：40W非晶硅電池電池組件和40W單晶硅太陽(yáng)電池板；實(shí)驗(yàn)采用直流負(fù)載燈作為模擬負(fù)載，電路如圖1所示。實(shí)驗(yàn)配置兩套同樣儀器測(cè)量裝置，分別測(cè)量非晶硅太陽(yáng)電池和單晶硅電池組件的發(fā)電量。為保證兩種太陽(yáng)電池具有相同環(huán)境，安裝地點(diǎn)、角度都相同，保證溫度、光照情況相同。安時(shí)計(jì)工作電源另設(shè)。

電池板有晶體硅和非晶硅，其型號(hào)和性能參數(shù)如表1所示。

表1 晶體硅和非晶硅電池組件規(guī)格參數(shù)

根據(jù)表1中的電池組件性能參數(shù)可知，晶體硅電池組件Voc與Vm相差3.5V，該組件外接蓄電池的額度電壓一般為12V；非晶硅電池組件Voc與Vm相差15.6V，該組件外接蓄電池的額定電壓一般為36V。則可計(jì)算得出非晶硅和單晶硅太陽(yáng)電池板電量，見(jiàn)表2。

表2 不同天氣情況下不同電池板發(fā)電時(shí)數(shù)

從表2可看出，非晶硅太陽(yáng)電池板在強(qiáng)光直射和陰天弱光條件下日平均發(fā)電量分別為4.7Wh/(W·d)、1.2 Wh/(W·d)，其發(fā)電量?jī)?yōu)于單晶硅電池板。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本Kaneka Corp.報(bào)道的野外實(shí)際測(cè)量得出的1000W同功率的非晶硅電池發(fā)電量不低于單晶硅、多晶硅電池組件的結(jié)果相吻合。

三 結(jié)果分析與討論

由以上試驗(yàn)可知，在戶外相同天氣條件下，非晶硅電池板的發(fā)電量要優(yōu)于晶體硅電池。以下將從溫度系數(shù)、電池I-V特性曲線和低光強(qiáng)下的電性能參數(shù)3個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 溫度系數(shù)

非晶硅太陽(yáng)電池溫度系數(shù)約為－0.19%，溫度系數(shù)小。單晶硅、多晶硅電池溫度系數(shù)約為－0.5%，其計(jì)算公式表達(dá)式為：

其中，Pmeffec為電池組件在T溫度工作時(shí)(AM1.5，1000W/m2)的最大輸出功率；a為電池組件的功率溫度系數(shù)。

如果兩種電池組件工作溫度為50℃，將相關(guān)溫度系數(shù)帶入式(2)，可知晶體硅電池與非晶硅電池的最大功率衰退情況分別為：

晶體硅電池：Pmeffec/Pm=87.5%

非晶硅電池：Pmeffec/ Pm=95.3%

也就是說(shuō)，如果兩種電池總額定功率為1000W，工作溫度為50℃時(shí)，晶體硅電池的額定功率降為875W，非晶硅電池的額定功率降為953W。非晶硅電池多發(fā)電78W，相當(dāng)于多發(fā)電7.8%。

2 電池I-V特性曲線

非晶硅電池和晶體硅電池的I-V特性曲線如圖2、圖3所示。

圖2 非晶硅組件I-V曲線

圖3 晶體硅的I-V特性曲線

從圖2、圖3可以看到，兩種電池超過(guò)最大輸出功率點(diǎn)后曲線變化差距較大。晶體硅電池的輸出曲線在超過(guò)最大輸出功率點(diǎn)后快速下降為0，曲線陡直；而非晶硅電池的輸出曲線經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段距離后才下降為0，曲線較為平緩。兩種電池的Vm分別約相當(dāng)于其開(kāi)路電壓的83%和74%。

對(duì)于晶體硅和非晶硅電池，當(dāng)光強(qiáng)逐漸變?nèi)鯐r(shí)，兩種電池的Isc和Voc都會(huì)隨之降低。當(dāng)然，減小的較快，Voc降低的較慢。如果蓄電池做太陽(yáng)電池陣列的負(fù)載的情況下，當(dāng)太陽(yáng)電池陣列的有效輸出電壓小于蓄電池的端電壓時(shí)，蓄電池就不能被充電。

結(jié)合表1給出的規(guī)格參數(shù)，可知非晶硅電池和晶體硅電池的Voc分別與作為負(fù)載的蓄電池電壓相差24.2V、9V。當(dāng)光強(qiáng)逐漸變?nèi)鯐r(shí)，晶體硅電池未滿足充電條件，而非晶硅電池由于較大的電壓差，在光線很暗時(shí)才不能充電，這有效增加了利用太陽(yáng)光的時(shí)間。所以，非晶硅電池會(huì)比晶硅電池多產(chǎn)生一些電力。

3 低光強(qiáng)下電池光電性能分析

由于非晶硅材料的原子排列無(wú)序，其電子躍遷不再遵守傳統(tǒng)的“選擇定則”[3]，因此，非晶硅材料光吸收特性與單晶硅材料存在著較大差異。非晶硅和單晶硅材料的吸收曲線如圖4所示。

圖4 非晶硅和單晶硅材料吸收曲線

非晶硅的吸收曲線具有明顯的A、B、C三段特征[4]。A區(qū)對(duì)應(yīng)電子在定域態(tài)間的躍遷，如費(fèi)米能級(jí)附近的隙態(tài)向帶尾態(tài)的躍遷，該區(qū)的吸收系數(shù)較小，約為1～10cm-1，為非本征吸收；B區(qū)的吸收系數(shù)隨光子能量的增加指數(shù)上升，對(duì)應(yīng)于電子從帶邊擴(kuò)展到導(dǎo)帶定域態(tài)的躍遷，以及電子從價(jià)帶尾定域態(tài)向?qū)н厰U(kuò)展態(tài)的躍遷，該區(qū)的能量范圍通常只有半個(gè)電子伏特左右，但吸收系數(shù)通?？缭絻扇齻€(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到104cm-1；C區(qū)對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶內(nèi)部到導(dǎo)帶內(nèi)部的躍遷，該區(qū)的吸收系數(shù)較大，通常在104cm-1以上。后兩個(gè)吸收區(qū)是非晶硅材料的本征吸收區(qū)。

從圖4可以看到，兩條曲線的交點(diǎn)約為1.8eV。值得注意的是，在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)(1.7～3.0eV)，非晶硅材料的吸收系數(shù)幾乎都比單晶硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說(shuō)，在低光強(qiáng)、長(zhǎng)波較大的情況下，非晶硅材料仍有較大的吸收系數(shù)。再考慮到非晶硅材料的帶隙較大，反向飽和電流I0較小。以及如前所述的非晶硅電池I-V特性曲線方面的特點(diǎn)，使得非晶硅電池?zé)o論在理論上和實(shí)際使用中都對(duì)低光強(qiáng)有較好的適應(yīng)。

四 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)非晶硅太陽(yáng)電池板和單晶硅太陽(yáng)電池在相同條件下發(fā)電量對(duì)比，結(jié)果表明，在晴天強(qiáng)的太陽(yáng)光輻照和陰雨天的弱的散射光下，非晶硅太陽(yáng)電池板均比單晶硅太陽(yáng)電池板的發(fā)電量多，盡管非晶硅太陽(yáng)電池存在光致衰退S-W效應(yīng)。

S-W效應(yīng)是材料中的亞穩(wěn)態(tài)缺陷在輻照和退火的情況下產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象[5]，但其電性能衰退遵循先快后慢，最后趨于趨于穩(wěn)定的規(guī)律。本文選取具有良好封裝的非晶硅太陽(yáng)電池組件，其電性能已經(jīng)充分衰退并趨于穩(wěn)定。

同時(shí)，非晶硅電池組件溫度系數(shù)小，I-V曲線平緩及低光強(qiáng)下的吸收特性決定了非晶硅電池組件比晶體硅電池組件的發(fā)電量高。

[1][美]施敏, 劉曉彥, 賈霖, 康晉鋒[譯]. 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[2][日]桑野幸德, 鐘伯強(qiáng) 馬英仁[譯]. 太陽(yáng)能電池及其應(yīng)用[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1985.

[3]雷永泉, 萬(wàn)群, 石永康. 新能源材料[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2002.

[4]向賢碧, 常秀蘭, 廖顯伯, 等. GaAs基系Ⅲ-V族疊層電池的研究[A], 中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)2001年學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C], 2001.

[5]陳治明. 非晶半導(dǎo)體材料與器件[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1991.