非晶硅太阳电池的光电性能分析

晶硅太阳电池的光电性能分析
王宗畔,董贵元,杨连华,刘军亮,周祥,胡汛,于冬安
单位:天津市津能电池科技有限公司
摘要:许多专家认为薄膜电池是太阳电池的发展方向,但是,非晶硅电池产业为什么没有人们预想的发展速度呢?让我们从以下几方面进行分析,使人们对非晶硅电池更加了解。
关键词:光伏会议;光致衰退;I~V特性;吸收系数。
前言
国内外光伏产业的形势是尽人皆知的,见表1、图1[1]。到目前为止,太阳电池产量排世界前三名的仍是多晶、单晶和非晶硅电池。2004年它们的产量分别为703MW、364MW 和49MW。这种格局短时间不会改变。但是,由于硅材料的短缺,在一定程度上限制了晶硅电池的发展。由于非晶硅薄膜电池的材料消耗不足晶硅电池的1/200,所以,近几年的产量可能会有大的增长。
图1. 2004年各类太阳电池的生产量
电子测距仪2004年各类太阳电池生产总量达到1256MW。其中:多晶硅703MW,单晶硅364MW,非晶硅49MW,非晶硅/单晶硅63MW,带硅38 MW,碲化镉13.8MW,铜铟镓硒3.8MW[1]。
目前,晶硅电池仍然是电池的主体。非晶硅电池仍然列第三位。许多专家都认为薄膜电池是太阳电池的发展方向,而且,潜力大,优势明显,性价比高。但是,非晶硅电池为什么没有预想的快呢?我们认为,有一些问题尚需进一步讨论,以便对非晶硅电池有一个统一、较清楚的认识。
一.非晶硅材料的S-W效应对电池的影响有多大?
S-W效应是1977年Staebler和Wronski在光电导实验中发现的。光电导和暗电导的变化是材料中的亚稳态缺陷在辐照和退火情况下产生和消失的外部反应[2]。由于非晶硅太阳电池的本征层是非晶硅材料,所以,非晶硅太阳电池也会受S-W效应的影响。
“非晶硅太阳电池的早期衰退”是科研人员多年研究的课题。不是影响用户使用,更不是用户担心的问题。在此,本文进行一点说明,以求得共识。
⑴.非晶硅太阳电池的早期衰退机理
氰乙酸乙酯
从材料结构上说,非晶硅与同质晶体有相
同的配位数,但键长和键角略有改变。描述非晶结构的连续无规网络模型认为,非晶硅就是由这样一些稍被扭曲的单元随机连接而成的。单元与单元之间不存在固定的位形关系。其有序范围约在1~2个原子范围内。
由于无序,在非晶硅中存在着悬挂健、应力和微空洞这样的结构缺陷[3],并在能隙中产生了带尾。带尾与结构缺陷作为复合中心影响了载流子的输运。使非晶硅电池的效率降低。
非晶硅中的空洞为弱键的产生以及弱键与悬挂键之间的转化创造了条件。因为弱键乃是由同一空位或微空洞中的两个相邻悬挂键配对而成的。
在长时间光照下,非晶硅太阳电池中会产生光生亚稳态,这种光生亚稳态就是硅-硅弱键断裂后的两个悬挂键。光生亚稳态使P-I界面附近的空间电荷密度升高,而使电池中的准中性区变宽,即由于耗尽区的收缩使本征层中的低电场区或无场区增加[4][5][6]造成了光生载流子的复合增大,从而出现人们常说的“非晶硅太阳电池的早期衰退”。
⑵.非晶硅太阳电池的早期衰退到底有多大?
非晶硅太阳电池的早期衰退量根据电池的结构和制造电池时的工艺条件的不同而产生差异。对此,许多单位和专家已经做了多年的研究、探讨工作,这里不再赘述。到目前为止,结论是:
a. 非晶硅太阳电池的早期衰退呈现指数规律,主要集中在前期(约3个月~1年),电池衰退经历时间的长短与太阳电池的使用环境有关。
b. 一般来说,单结电池衰退约为24%、双结约为15%、三结约为13%(这些衰退量,在太阳电池出售时,销售方已经予以扣除,按照稳定功率计价)。
二.非晶硅太阳电池为什么比晶硅电池发电多?
对于同样功率的太阳电池阵列,非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池发电要多。这已经被美国的Uni-Solar System LLC、Energy Photovoltaic Corp.、日本的Kaneka Corp.、荷兰能源研究所以及其他的光伏界组织和专家证实了[7][8][9]。对此,提出以下解释,不一定确切,仅供参考。多媒体光盘制作
1. 非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池具有相对小的温度系数
非晶硅太阳电池最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.19%,而单晶硅、多晶硅电池最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.5%,当电池的工作温度升高时,两种电池都会出现Pm下降的情况,但下降幅度是不同的。它们都可以用下面公式进行计算。
Pmeffec.= Pm×[1+a(T -25℃)]
其中:
Pmeffec.--为电池组件在T温度工作时(AM1.5,1000瓦/平方米)的最大输出功率;
Pm --为电池组件在25℃,标准测试条件下(AM1.5,1000瓦/平方米)的最大输出功率;
a ---- 为电池组件的功率温度系数。
举例来说,如果两种电池组件都在60℃的温度下工作,将它们的温度系数代入上式,则晶硅电池与非晶硅电池的最大功率衰退情况分别为:
晶硅电池: Pmefeic./ Pm = 82.5%
非晶硅电池: Pmefeic./ Pm = 93.35%
也就是说,如果两种电池的Pm都是1000瓦,它们都在60℃下工作,这时晶硅电池的Pm 降到825瓦,非晶硅电池的Pm降到933.5瓦。非晶硅电池多发电108.5瓦,相当于多发电13.2%。
2.非晶硅电池的I~V特性在超过Vm以后随电压下降缓慢
为了比较方便,我们把两种电池的I~V特性画在同一张图上。晶硅电池和非晶硅电池的I~V特性一般形状如图2所示。
图2.  两种电池的I~V特性
从图中我们看到,两种电池在超过最大输出功率点后曲线变化差距较大。晶硅电池的输
出电流在超过最大输出功率点后会很快下降到零,曲线陡直;而非晶硅电池的输出电流经过一段较长的距离后才下降到零,曲线较为平缓。两种电池的Vm 分别大约相当于其开路电压的83%和74%。
例如:成都市新奇特灯具厂的晶硅太阳电池组件的参数表如表2。它们的开路电压均为21伏。Vm 平均约为17.5伏。两者差距为3.5伏。这种组件外接蓄电池的额定电压一般为12伏。它与开路电压的差值为9伏。
津能公司的非晶硅电池组件的电参数表如表2最后一行。它的开路电压为60.2伏,Vm 为44.6伏。两者
差距为15.6伏。这种组件外接蓄电池的额定电压一般为36伏。它与开路电压的差距为24.2伏。两种电池的Pm,Vm,Voc, 外接蓄电池情况比较见表3。
表2. 晶硅、非晶硅太阳电池电参数表
表3.两种电池的Pm,Vm,Voc, 外接蓄电池情况比较
当光强逐渐变小时,太阳电池的短路电流和开路电压都会随之强降低。当然,短路电流减小得比较快,开路电压降低得比较慢。
在蓄电池做太阳电池阵列负载的情况下,当太阳电池阵列的有效输出电压小于蓄电池的端电压时,蓄电池就不能够被充电。从表中可以看到,非晶硅电池的开路电压与作为负载的蓄电池端电压之差为24.2伏,晶硅电池的开路电压与蓄电池端电压之差为9伏。当光强逐渐变小时,晶硅电池先不满足充电条件,而非晶硅电池由于较大的电压差,到光线很暗时才不
充电,有效的增加了利用太阳光的时间。所以,
非晶硅电池会比晶硅电池多产生一些电力。
关于这一点,在实际应用中已经得到证实。津能电池公司提供给内蒙古锡盟的光伏水泵系统,在扬沙情况下仍能启动水泵抽水,使当地用户感到很意外,就是上面的原因造成的。
三.非晶硅太阳电池低光强下的光、电性能分析
由于非晶硅材料原子排列无序的特点,它的电子跃迁不再遵守传统的“选择定则”限制,因此,它的光吸收特性与单晶硅材料存在着较大的差别。非晶硅和单晶硅材料的吸收曲线如图3所示。
图3. 非晶硅和单晶硅材料的吸收曲线
非晶硅的吸收曲线具有明显的三段(A 、B 、C )特征。A 区对应电子在定域态间的跃迁,如费米能及附近的隙态向带尾态的跃迁,该区的吸收系数较小,约1~10cm -1,为非本正吸收;B 区的吸收系数随光子能量的增加指数上升,它对应于电子从价带边扩展态到导带定域态的跃迁,以及电子从价带尾定域态向导带边扩展态的跃迁,该区的能量范围通常只有半个电子伏特左右,但吸收系数通常跨越两三个数量级,达到104cm -1;C 区对应于电子从价带内部到导带内部的跃迁,该区的吸收系数较大,通常在104
cm -1
以上。后两个吸收区是非晶硅材料的本征吸收区[10].。
从图中可以看到,两条曲线的交点约在1.8ev 左右。值得注意的是,在整个可见光范围内(1.7~3.0ev ),非晶硅材料的吸收系数几乎都比单晶硅大一个数量级。也就是说,在阳光不太强的上午前半部、下午后半部、以及多云等低光强、长波比重较大的情况下,非晶硅材料
仍有较大的吸收系数。再考虑到非晶硅材料的带隙较大,反向饱和电流I0较小。以及如前所述的非晶硅电池I~V特性曲线方面的特点,使得非晶硅太阳电池无论在理论上和实际使用中都对低光强有较好的适应。
四.使用非晶硅太阳电池时应注意什么?
1. 由于消费者购买非晶硅太阳电池的功率数是稳定功率,所以,电站刚安装之后的发电量要比购买时承诺的多10%以上。例如:购买双结非晶硅太阳电池40瓦,刚安装时的发电功率为47瓦。在设计光伏系统配置以及使用时应予以考虑。
pt1002. 由于非晶硅太阳电池I~V特性的特点以及相对小的温度系数,发电较多,可以适当考虑将太阳电池的工作点适当右移,并减少购买量,节省资金。
3. 由于非晶硅太阳电池对低光强有较好的适应,所以,在日照不是很好的地区可以考虑多使用非晶硅太阳电池。
Cho细胞
五.结论
1.鉴于非晶硅材料的结构特点,太阳电池会出现早期衰退现象,衰退呈现指数规律,主要集中在前期,衰退经历的时间长短与太阳电池的使用环境有关。一般来说,单结电池衰退约为24%、双结约为15%、三结约为13%(这些衰退量,在太阳电池出售时,销售方已经予以扣除,即按照稳定功率计价)。
2.由于非晶硅太阳电池I~V特性方面的特点以及相对小的温度系数,使它与晶硅电池相比可以发出更多的电力。在设计系统时,可适当考虑将太阳电池的工作点右移。
3. 由于非晶硅太阳电池对低光强有较好的适应,所以,在开发利用非晶硅太阳电池时,应予以适当关注。
参考文献:
[1]. 耿新华,“硅薄膜太阳电池的发展现状与前景”,华
基讲演稿,2006-5-8
[2]. 陈治明,“非晶半导体材料与器件”,科学出版社,
1991,P231-~238。
[3]. Guha and Jeffrey Y ang,Science and Technology of
Amorphous Silicon Alloy Photovoltaics,IEEE,
V ol.46,No.10,10月,P2082,(1999)。
[4]陈治明,《非晶半导体材料与期间》科学出版社,
连体人
(1991),P232-233。[5]N.Nakamura 等The Light Induced Effect of A-Si
Films and Solar Cell, ICSWEA’(中国),(1985)。
[6]. S.Tsuda等,“Light-Induced Instability of Amorphous
Silicon Photovoltaic Cell”, SOLAR CELL,9(1983)25-36。
[7]. 引自美国Bekaert ECD Solar System LLC提供的:
三结技术“About Solar Systems”资料(2002)。
[8]. 引自日本Kaneka Corp. 提供的Photovoltaic
System,Kaneka Silicon PV “Gift from the sun”资
料(2002)。
[9]. 于培诺,“非晶硅太阳电池市场的展望”,《中国建
设动态》阳光能源,2003年4月,P10~12。[10]. 陈治明,“非晶半导体材料与器件”,科学出版社,
1991,P14-~21。
王宗畔:天津市津能电池科技有限公司, 电话:83718590-1040;Email:wzp@jngf

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