灰塵對(duì)硅系列太陽(yáng)能電池性能的影響

趙卓靜，崔 敏，王怡然，于海波，程 洋，歐陽(yáng)麗婷，鄧金祥

（北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京100124）

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灰塵對(duì)硅系列太陽(yáng)能電池性能的影響

趙卓靜，崔 敏，王怡然，于海波，程 洋，歐陽(yáng)麗婷，鄧金祥

（北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京100124）

摘 要：搭建了基于灰塵覆蓋的太陽(yáng)能電池特性測(cè)試系統(tǒng)，研究了灰塵覆蓋對(duì)單晶硅、多晶硅和非晶硅3種硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換特性的影響.結(jié)果表明：3種硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能在灰塵均勻覆蓋后均下降，但I(xiàn)－V曲線的形狀未改變.隨著灰塵面密度的增大，3種太陽(yáng)能電池的最大輸出功率、短路電流、開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率指數(shù)下降，短路電流下降較快，開(kāi)路電壓下降緩慢，轉(zhuǎn)換效率在電池覆蓋0.1g灰塵相比于未覆蓋灰塵時(shí)下降了約30%；填充因子變化受灰塵影響較小，僅非晶硅太陽(yáng)能電池的填充因子略有浮動(dòng).

關(guān)鍵詞：硅太陽(yáng)能電池；灰塵；光伏；轉(zhuǎn)換效率

資助項(xiàng)目：北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目（No.YETP1592）

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的能源［1］，太陽(yáng)能電池通過(guò)光生伏特效應(yīng)可以直接把光能轉(zhuǎn)換成電能［2］.近年來(lái)，光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，各國(guó)政府也已認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)能對(duì)人類未來(lái)發(fā)展的重要性［3－5］.但是，太陽(yáng)能電池長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外，極易附著灰塵，將會(huì)導(dǎo)致入射至太陽(yáng)能電池表面上的光強(qiáng)減弱，并易引起熱斑效應(yīng)，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池性能下降［6－8］，嚴(yán)重影響太陽(yáng)能電池的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率［9－10］.美國(guó)國(guó)家航空航天局研究顯示，每平方米僅有4.05g的灰塵層就能使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率減小［7］，尤其是環(huán)境條件較差的北方地區(qū)，影響更加明顯，因此積塵對(duì)太陽(yáng)能電池的影響不可小覷［11］.本文針對(duì)常見(jiàn)的3種硅太陽(yáng)能電池（單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池），搭建了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換特性測(cè)試裝置，分別測(cè)試和研究灰塵對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能的影響，并研究了灰塵覆蓋密度對(duì)3種硅太陽(yáng)能電池特性的影響規(guī)律.

1 原理分析

太陽(yáng)能電池的主要組成為pn結(jié)，太陽(yáng)能電池光照下有3股電流：光生電流IL，光生電壓V作用下pn結(jié)的正向電流IF和外電路電流I.3股電流的關(guān)系為理想pn結(jié)的I－V特性為

式中，I0為pn結(jié)的反向飽和電流；q為電子電量（1.6×10－19C）；V為pn結(jié)上的正向電壓；k為波爾茲曼常量（1.38×10－23J／K）；T為溫度.太陽(yáng)能電池的I－V特性相當(dāng)于把理想pn結(jié)的伏安特性沿I軸的方向向下移動(dòng)了IL，將負(fù)載電流I取正值，得到反轉(zhuǎn)后的太陽(yáng)能電池的I－V特性［12］為

I－V特性曲線如圖1所示，曲線與電流軸的交點(diǎn)處電流為短路電流Isc，與電壓軸的交點(diǎn)處電壓為開(kāi)路電壓Voc，陰影部分的面積為最大輸出功率Pmax.最大輸出功率Pmax與Voc和Isc的乘積之比定義為填充因子FF，即：

太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為其最大輸出功率與輸入功率之比，即

因此，太陽(yáng)能電池獲得高的光電轉(zhuǎn)換效率需要高的短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子.

圖1 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線

2 實(shí) 驗(yàn)

搭建了太陽(yáng)能電池特性測(cè)試系統(tǒng)，主要包括模擬光源、電流電壓測(cè)試器、可變負(fù)載、支架、太陽(yáng)能電池片和導(dǎo)線若干，測(cè)試原理圖和實(shí)物圖如圖2所示，太陽(yáng)能電池片平放，光源正入射電池，光強(qiáng)為350W／m2.太陽(yáng)能電池片采用市場(chǎng)常用硅系列電池片，分為單晶硅電池、多晶硅電池以及非晶硅電池，電池片有效面積為單晶硅5.20cm× 5.30cm，多晶硅5.25cm×5.30cm，非晶硅5.10cm×5.10cm.為了研究灰塵對(duì)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換性能的影響，將灰塵磨細(xì)，均勻平鋪在電池表面，灰塵質(zhì)量取為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5g，并定義灰塵面密度σ為灰塵質(zhì)量除以太陽(yáng)能電池片的面積.

圖2 太陽(yáng)能電池特性測(cè)試原理圖和實(shí)物圖

3 結(jié)果分析與討論

對(duì)單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池以及非晶硅太陽(yáng)能電池分別進(jìn)行了不同灰塵面密度下光電轉(zhuǎn)換特性的測(cè)量，分析了灰塵對(duì)3種太陽(yáng)能電池性能的影響.

圖3 不同灰塵面密度下，單晶硅太陽(yáng)能電池的I－V曲線及特性參量變化曲線

單晶硅太陽(yáng)能電池在不同灰塵面密度下的IV曲線如圖3（a）所示，當(dāng)灰塵面密度恒定時(shí)，太陽(yáng)能電池I－V曲線比較穩(wěn)定，隨著電壓的增加電流開(kāi)始變化不明顯，后急劇下降.隨著灰塵面密度的增大，太陽(yáng)能電池I－V曲線趨勢(shì)不變，但是短路電流劇烈下降，開(kāi)路電壓緩慢減小.圖3（b）為單晶硅太陽(yáng)能電池的特性參量，包括開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率η，隨灰塵面密度σ的變化趨勢(shì).如圖3（b）所示，隨著灰塵面密度的增加，短路電流Isc、最大功率Pmax、轉(zhuǎn)換效率η均下降，且減小率逐漸減小；覆蓋0.1g灰塵時(shí)相比于覆蓋前電池的轉(zhuǎn)換效率η下降了31.3%；Voc逐漸減小，減小率先減小再增大；填充因子FF受灰塵影響小，隨灰塵面密度的增大FF基本不變，保持在0.8左右.

圖4所示為多晶硅太陽(yáng)能電池在不同灰塵面密度覆蓋下的I－V曲線及其特性參量變化趨勢(shì).如圖4（a）所示，多晶硅太陽(yáng)能電池在灰塵覆蓋下效率下降，隨著灰塵覆蓋密度增大，轉(zhuǎn)換效率、光生電流和開(kāi)路電壓均下降.根據(jù)圖4（a）可獲得如圖4（b）所示的多晶硅太陽(yáng)能電池各個(gè)特性參量隨灰塵覆蓋密度變化曲線.隨著灰塵面密度的增加，短路電流Isc、最大功率點(diǎn)Pmax、轉(zhuǎn)換效率η均下降，且減小率逐漸減??；覆蓋0.1g灰塵時(shí)相比于覆蓋前電池的轉(zhuǎn)換效率η下降了31.5%；Voc逐漸減小，并且在灰塵面密度σ為0.014 4g／cm2之前接近線性，之后減小率減??；填充因子FF隨灰塵面密度的增加變化不明顯，基本保持在0.76不變.

圖5所示為非晶硅太陽(yáng)能電池在不同灰塵面密度覆蓋下的I－V曲線及其特性參數(shù)變化趨勢(shì).如圖5（a）所示，當(dāng)灰塵面密度恒定時(shí)，太陽(yáng)能電池I－V曲線比較穩(wěn)定，電流略微波動(dòng)，這與非晶硅材料有關(guān).隨著灰塵面密度的增大，太陽(yáng)能電池I－V曲線趨勢(shì)不變，短路電流劇烈下降，開(kāi)路電壓緩慢減小.圖5（b）所示的多晶硅太陽(yáng)能電池各個(gè)特性參數(shù)隨灰塵覆蓋密度變化曲線.隨著灰塵面密度的增加，短路電流Isc、最大功率點(diǎn)Pmax、轉(zhuǎn)換效率η均下降，且減小率逐漸減小；覆蓋0.1g時(shí)灰塵相比于覆蓋前電池的轉(zhuǎn)換效率η下降了30.9%；Voc逐漸減小，且接近線性；填充因子FF受灰塵面密度的影響較大，這與非晶硅材料本身有關(guān).

圖4 不同灰塵面密度下，多晶硅太陽(yáng)能電池的I－V曲線及特性參量變化曲線

圖5 不同灰塵面密度下，非晶硅太陽(yáng)能電池的I－V曲線及特性參數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)控制灰塵面密度，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了3種硅系列太陽(yáng)能電池在不同灰塵面密度下的光電轉(zhuǎn)換特性，進(jìn)而獲得了3種太陽(yáng)能電池的特性參量隨灰塵面密度的變化.結(jié)果表明，灰塵覆蓋不會(huì)改變硅系列太陽(yáng)能電池的I－V曲線的趨勢(shì)，但隨著灰塵面密度的增大，3種硅太陽(yáng)能電池的最大輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、短路電流、開(kāi)路電壓均下降；對(duì)于填充因子，單晶硅太陽(yáng)能電池受灰塵影響較小，多晶硅太陽(yáng)能電池次之，非晶硅太陽(yáng)能電池受灰塵影響最大.灰塵對(duì)太陽(yáng)能電池的性能影響比較明顯，面積約5.20cm×5.30cm的單晶硅電池僅覆蓋0.1g灰塵，其轉(zhuǎn)換效率下降約30%.因此，光伏系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)，要保持太陽(yáng)能電池板表面的清潔，及時(shí)清理電池表面灰塵等覆蓋物，避免電池性能下降.

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Effect of dust on performances of silicon solar cells

ZHAO Zhuo－jing，CUI Min，WANG Yi－ran，YU Hai－bo，CHENG Yang，OUYANG Li－ting，DENG Jin－xiang
（Applied Physics Department，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Abstract：A solar cell testing system was built.The influences of dust on the photoelectric conversion characteristic of monocrystalline，polycrystalline and amorphous silicon solar cells were researched.The results showed that the performance of the three kinds of silicon solar cells all became worsen with dust covering on the surfaces，but the shape of the I－Vcurves did not change.The maximum output power，short circuit current，open circuit voltage and conversion efficiency of the three kind solar cells decreased with increasing dust density.The short circuit current decreased rapidly，while the open circuit voltage fell slowly.The conversion efficiency decreased about 30%with 0.1g dust on the solar cells’surface.The fill factor was less affected by the dust，only the amorphous silicon solar cells’fill factor varied slightly.

Key words：silicon based solar cells；dust；photovoltaic；conversion efficiency

通訊作者：崔 敏（1981－），女，北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院講師，博士，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電薄膜與器件.

作者簡(jiǎn)介：趙卓靜（1995－），女，北京人，北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)2013級(jí)本科生.

收稿日期：2015－10－09

中圖分類號(hào)：O472.8；TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005－4642（2016）03－0033－04

［責(zé)任編輯：郭 偉］