非晶硅与晶硅太阳电池在太阳能光伏发电应用中热性能的研究文库.docx

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非晶硅与晶硅太阳电池在太阳能光伏发电应用中热性能的研究文库

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第２９卷第８期

２００８年８月

太阳能学报

ＡＣＩ’Ａ

ｖ０１．２９．Ｎ０．８

Ａｕｇ．，２００８

ＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＬＡＲＩｓＳＩＮＩ（Ａ

非晶硅与晶硅太阳电池在太阳能光伏发电应用中热性能的研究

于

元，夏立辉，张志文

（北京市太阳能研究所有限公司，北京１０００１２）

摘要：

对在北京地区屋面上固定角度安装（目前光伏发电应用中最常见的安装形式）的非晶硅和多晶硅太阳电池组件进行了近二年的数据采集，纪录了北京地区温度数据和太阳电池阵列的实际发电量，分析了它们各自的特点，为用户更为关心的户外使用情况提供了参考依据；认为如果仅从温度特性考虑，是否采用非晶硅替代晶体硅电池在不同地区应有不同考虑，如果再考虑到人们普遍认为的非晶硅电池没有解决的稳定性问题，表面玻璃的非钢化、效率低等其它问题，非晶硅的使用应慎重，不应盲从。

同时在使用中不论何种电池都不应忽视组件的通风问题。

关键词：

光伏发电；非晶硅太阳电池；多晶硅太阳电池；热性能

中图分类号：

粥１３

０

文献标识码：

Ａ

引

言

短路电流及填充因子的强衰减的特点（根据分析，这种现象主要发生在使用的前几个月）…，为了更好地排除非晶硅前期衰减的影响，文中所有分析数据均来自２００７年３月份以后。

１．１地理位置及安装角度北纬：

４００００７１４．８”；东经：

１１６０２０’１９．秒；海拔：

６３ｍ；电池组件安装角度：

４５。

；电池组件朝向：

正南１．２系统构成及标准条件下测量参数１）非晶硅电池组件参数，如表１。

表ｌ组件规格参数

仉曲ｅｌＳＤｅｃｉｆｉｃ撕ｏｎ０ｆⅡＨ｝ｕｌｅ

在世界范围内，由于晶体硅材料的来源紧缺，虽然太阳能光伏发电作为可再生能源的应用前景广阔，但在实际应用中还存在诸多瓶颈和没有完全解决的问题，为了解决此问题，并进一步降低太阳能利用的成本，人们提出了利用非晶体硅的特点替代晶体硅电池，但这只是一些理论上的分析，对用户而言，是否能达到较佳的性价比就需要对实际应用中的情况作详细测量和分析，了解真实的投入与产出；对这一系列问题的了解都需要一个有实用价值的评估。

基于此目的，我们对非晶电池和晶体硅电池的发电量进行了户外监测和分析。

我们的结果只是针对北京地区的情况，其它地区的情况是否相同，还有待进一步研究。

１系统构成及安装信息

为了分析及比对非晶体硅和晶体硅太阳电池在实际应用中的情况，使系统的测试数据更具有说服力，我们在中科院半导体所的屋顶上分别安装了３ｋｗ的非晶硅及多晶硅两套系统。

系统投入使用时间为２００６年初，根据非晶硅电池早期在阳光的照射下，其无序晶格中复合现象会越来越严重，从而导致收稿日期：

２０∞躬奶

产品型号天嚣霎翟淼司

开路电压ｋ，Ｖ短路电流，。

，Ａ最大功率点电压ｋ，Ｖ最大功率标称值ＰⅢ，ｗ

６０１．Ｏ４４３８±５％

测试条件ＡＭｌ．５，１００ＴＩ】＿Ｗ／ｃｏ，２５℃

连接方式：

共使用非晶组件７７块，标称功率２９２６Ｗ。

７块串联，１１组并联。

通讯作者：

于元（１９６０一），女，高级工程师，主要从事太阳能光伏方面的研究。

”聊ｌａｒ－２００２＠１６３．Ⅻ

万方数据

８期

于元等：

非晶硅与晶硅太阳电池在太阳能光伏发电应用中热性能的研究

２）多晶硅电池组件参数，如表２。

表２组件规格参数

２）时时发电量随时间变化１ｄ中时时发电量如图３所示。

％ｌｅ

产品型号开路电压ｋ，Ｖ短路电流Ｌ，Ａ

２

Ｓｐｅｃ击ｃａｔｉｏ璐０ｆ瑚捌ｅ

争７５Ｄ口

上海太阳能科技有限公司

２１．５５．００１７．５

寨蒜ｆ＝斐量篇庐

墨一

时刻

非晶／多晶／ｌｋｗ时时发电量２００８一ｌ—１５

最大功率点电压ｋ，Ｖ

最大功率标称值Ｐｍ厢

测试条件

７５士５％

ＡＭｌ．５，１００ｍＷ，ｃ卉，２５℃

连接方式：

共使用多晶组件４０块，标称功率

３０００ｗ。

２０块串联，２组并联。

３）与网络连接方式

图３非晶硅，多晶硅时时发电量

Ｆｉｇ．３

并网连接，使用２台３ｋｗ并网逆变器。

４）系统连接框图，如图１。

非晶硅组件卜叫并网逆变器

电数据记录仪

网２２０Ｖ

０ｆ｝ｓｉｌｉ咖锄ｄｐｏｌｙ一曲咖ａｔⅢ可ｍ咖［Ｈ吐

Ｇ即朗日ｔ：

ｉｃ帆ｒａ五ｏ

３）全年发电量统计值＊

如表３所示。

表３发电量统计

７ｒａｂｌｅ３

ｓＩａ６ｓ６ｃａｌ萨ｎｅｒａｄ∞

多晶硅组件卜叫并网逆变器图ｌ系统连接框图

心．１Ｓｃ｝脚圮０ｆ

ｓｙｓｔ锄ｃｏｍ蒯∞

２测试方法及数据分析

２．１测试方法

①采用具有最大功率点跟踪的并网逆变器，同

时记录下每个阵列一天的交流输出量；

②采用具有最大功率点跟踪的并网逆变器，每

天定时纪录下各个阵列的时时交流输出量。

２．２测试数据及分析１）１ａ中发电量之比

为了便于分析比较，数据处理为每１ｌ【Ｗ的发电量值。

１ａ的测试数据如图２所示，图中实线为发电

量之比随时间的变化趋势。

非晶／多晶发电量之比杈制喀ｊ磐抵丑胛Ｎ垲嘲

Ⅲ暑脚

＊以上数据归一为每ｋＷ

４）数据分析根据文献［２］，当入射能量大于或等于禁带宽度的光子入射到具有Ｐ－Ｎ结的半导体材料时，会产生电子．空穴对，在内建电场的作用下，它们会产生电动势，从而输出电流。

太阳电池在任意时刻的输出

日期（２００ｒ７年）

辑撼旨培

．■

坩

功率为太阳电池的转换效率与投射在太阳电池表面太阳辐射总能量的乘积：

Ｐ。

＝％×，。

＝＇７×Ｐ缸（１）

图２非晶硅／多晶硅发电量比

№．２Ｇｅｒ啪６∞ｍ曲０ｆａ．讪咖“曲－８ｉｌｉＩ啪

万方数据

太

阳

能

学

报

２９卷

肝×，。

×比

７５—石茹‘■

…ｕ７

由于上述值随温度的变化由多重相互关联的因素制约，因此目前分析上常以测量值做为依据分析这种变化，测量得到的晶体硅电池开路电压变化范围在一２．２。

一２．５ｎｌＶ／℃，而非晶硅电池的开路电压变化范围在一１．０—１．３ＩｎＶ，℃嵋ｏ。

我们所测量光伏组件的厂家给出的参数：

非晶硅电池组件输出功率的温度系数为一Ｏ．１９％／℃，晶

式中，刁——太阳电池的转换效率；亿——电池的工作点电压；，。

——电池的工作点电流；ｋ——开路单位面积入射光功；Ａ．——总面积。

从式（１）和式（２）可知，对太阳电池组件输出的影响主要是由于太阳电池效率所产生的影响，而影

电压；Ｌ——短路电流；Ｆ卜填充因子；ＰｉⅡ——

响效率的主要因素是开路电压、短路电流及填充因

子。

根据半导体物理理论【３Ｊ】，决定太阳电池输出的

体硅输出功率的温度系数为一Ｏ．４５％，℃，这样根据

北京地区的气象条件及我们对温度的纪录，计算出１ａ中各种不同温度下每ｋｗ电池组件的发电量之比如图４中实线，根据表３整理的测量数据为图中虚线。

值

一个重要参数是温度系数。

从根本上讲，填充因子、开路电压、短路电流随温度（ｒ）的变化都是由于半导体材料的特性随着温度而变化。

这种变化取决于本征载流子浓度、扩散长度和吸收系数，其中，太阳

电池基区中少数载流子迁移率，是由按ｒ一抛率变化

的晶格散射和按Ⅳ一严律变化的离子化散射共同

决定的。

基区中的迁移率多少随温度的升高而降低；寿命通过热运动速度（按ｒ№律变化）和俘获截

面而为温度的函数，它随温度的提高而升高几倍，迁

移率和寿命的这些变化使得扩散长度随温度的升高

日期

而提高，从而增加长波光谱响应，导致光电流随温度

的升高稍有升高。

本征载流子浓度（ｎ；）在开路电压方面起很大作用，开路电压随温度的上升而下降，这主要是由于本征载流子随暗电流的升高而剧烈增加。

暗电流通常包括注入电流Ｌ及耗尽区复合电流Ｌ。

注入电流

Ｆｉｇ．４

图４非晶硅，多晶硅，ｋＷ发电量比值

Ｇｅ响俩叩ｒａｌｉｏ

０ｆｐ盯ｋｗ

ａ－础咖ａ１１ｄ叫ｙ．８ｉｌｉ咖

由图４可以看出，无论是根据计算得到的数值，还是实际测量得到的数值，对于北京地区这样的气象状况，发电量随季节变化（即温度变化）在变化，从４月份．１０月份非晶硅的发电量要大于单晶硅，１１月份一３月份则反之。

固定角度安装的太阳电池，非晶硅电池和单晶硅电池的发电量基本相同，计算上晶体硅电池比非晶硅电池高１．５％，测试上非晶硅电池比晶体硅电池高１．８％。

这种不同可能是由于它们对弱光的响应不同所引起。

＿，ｈ按几；２Ⅸｅｘｐ（一庐。

／后ｒ）率变化，耗尽区复合电流－，瑁按ｎｉ伍ｅ冲（一庐。

／２后ｒ）率变化。

填充因子也随温度的增加而降低，这是由于较低的开路电压会使伏安特性曲线在弯曲处的“圆度”增加。

由于开路电压和填充因子随温度升高而下降已部分地被短路电流的提高抵消，所以效率及输出功

３结论

在多晶硅与非晶硅实际发电量的对比分析中，

我们采用了电性能经过衰减的稳定输出太阳电池组件进行数据采集，在同样气候条件下采集了１ａ的数据，经过分析比较，得出以下结论：

１）非晶硅电池和晶体硅电池的输出功率都随温度发生季节性变化及日变化；２）在温度较高的时间段，非晶硅的发电量要高于晶体硅电池；但在温度较低的时间段，晶体硅的发电量要大于非晶硅；

率随温度升高而降低，但变化范围略小于开路电压

的变化。

通过上述理论可知，太阳电池在实际应用中的输出功率和温度有密切关系，不同地区的温度不同导致他们的输出和标称值有很大差别。

鉴于上述原因，为了规范各种太阳电池的特性，ＧＢ／ｒＩ眄３５－１９９８规定ｂ］，太阳电池组件的标称功率标准测试条件之一为２５±２℃。

万方数据

８期

于元等：

非晶硅与晶硅太阳电池在太阳能光伏发电应用中热性能的研究

９８７

３）仅从温度考虑是否采用非晶硅替代晶体硅电池在不同地区应有不同考虑，尤其是在北方地区。

如果再考虑到人们普遍认为的非晶硅电池没有解决的稳定性问题，表面玻璃的非钢化、效率低等其他问

题，其应用应慎重；

［参考文献］

［１］吴瑞华，耿新华．非晶硅太阳电池述评［Ｊ］．太阳能学报，１９９９，特刊：

９５一１０１．［２］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ］．北京：

化学工业出版社，２００４．［３］Ｈ０ｖｅＨ删ＩｌｄＪ．太阳电池《半导体和半金属》丛书十一卷［Ｍ］．北京：

四机部第六研究所，１９８２．［４］黄昆，韩汝琦．半导体物理基础［Ｍ］．北京：

科学出版社，１９７９．［５］ＧＢ，ｒ１９５３５．１９９８，地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型［ｓ］．

４）应对各种材料制成的电池温度特性做深入的研究，给出不同地区不同季节的参考值，便于设计人

员和用户对此有一个参考。

真正发挥非晶硅电池的特长；

５）在使用过程中，要注意组件的通风条件，有条件时，应选择通风条件较好的位置。

在作为玻璃幕墙使用时，一定要考虑到结构的设计，留有通风口。

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