非晶硅與晶硅太陽電池發電比較分析

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，迫使人們把太陽電池作為替代能源加以注意。當時，美國能源部、日本通產省工業技術院均制訂了陽光計劃，以便對太陽電池進行深入的研究與開發，目的在于降低成本[1]。當前，太陽電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅三種。其中，非晶硅太陽電池的光電轉換效率相對較低，但因具有制造成本低、能源消耗回收期短[2]、年發電量高等優點，其應用倍受青睞。

用戶購買太陽電池時，額定輸出功率成為考查電池的指標，但該指標是指在標準測試條件下的額定輸出功率，即在標準光強下的測試數據，AM1.0(1000W/m2)。實際上，在戶外使用太陽電池時，光照并非都能達到標準條件，隨著天氣的變化，太陽電池的輸出功率也隨即變化。只以額定功率判斷電池好壞，并不能如實地反映其性能。在室外真實天氣條件下，太陽電池組件的實際發電量才能真實反映電池組件的性能。一般來說，太陽電池的使用壽命是25年，25年全部發電量才是組件的實際發電量。針對于此，本文在室外相同天氣條件下，比較分析非晶硅太陽電池組件和單晶硅太陽電池組件的實際發電量。

二 實驗過程

太陽電池發電量是指太陽電池在實際隨天氣變化而時刻變化的光照情況下對時間的總累積發電量，也就是電壓和電流乘積對時間的積分值。

電壓和電流都隨光照情況不同而時刻變化，所以要計算電池發電量需采用固定電壓方法，計算出電流值，然后計算一段時間的總發電量。電流測量用安時計計量。即Um不變時，太陽電池的發電量的計算公式為：

圖1 電路圖

實驗樣品：40W非晶硅電池電池組件和40W單晶硅太陽電池板；實驗采用直流負載燈作為模擬負載，電路如圖1所示。實驗配置兩套同樣儀器測量裝置，分別測量非晶硅太陽電池和單晶硅電池組件的發電量。為保證兩種太陽電池具有相同環境，安裝地點、角度都相同，保證溫度、光照情況相同。安時計工作電源另設。

電池板有晶體硅和非晶硅，其型號和性能參數如表1所示。

表1 晶體硅和非晶硅電池組件規格參數

根據表1中的電池組件性能參數可知，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。則可計算得出非晶硅和單晶硅太陽電池板電量，見表2。

表2 不同天氣情況下不同電池板發電時數

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

實驗結果與日本Kaneka Corp.報道的野外實際測量得出的1000W同功率的非晶硅電池發電量不低于單晶硅、多晶硅電池組件的結果相吻合。

三 結果分析與討論

由以上試驗可知，在戶外相同天氣條件下，非晶硅電池板的發電量要優于晶體硅電池。以下將從溫度系數、電池I-V特性曲線和低光強下的電性能參數3個方面進行分析。

1 溫度系數

非晶硅太陽電池溫度系數約為－0.19%，溫度系數小。單晶硅、多晶硅電池溫度系數約為－0.5%，其計算公式表達式為：

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

如果兩種電池組件工作溫度為50℃，將相關溫度系數帶入式(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，如果兩種電池總額定功率為1000W，工作溫度為50℃時，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。非晶硅電池多發電78W，相當于多發電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，兩種電池超過最大輸出功率點后曲線變化差距較大。晶體硅電池的輸出曲線在超過最大輸出功率點后快速下降為0，曲線陡直；而非晶硅電池的輸出曲線經過較長一段距離后才下降為0，曲線較為平緩。兩種電池的Vm分別約相當于其開路電壓的83%和74%。

對于晶體硅和非晶硅電池，當光強逐漸變弱時，兩種電池的Isc和Voc都會隨之降低。當然，減小的較快，Voc降低的較慢。如果蓄電池做太陽電池陣列的負載的情況下，當太陽電池陣列的有效輸出電壓小于蓄電池的端電壓時，蓄電池就不能被充電。

結合表1給出的規格參數，可知非晶硅電池和晶體硅電池的Voc分別與作為負載的蓄電池電壓相差24.2V、9V。當光強逐漸變弱時，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，在光線很暗時才不能充電，這有效增加了利用太陽光的時間。所以，非晶硅電池會比晶硅電池多產生一些電力。

3 低光強下電池光電性能分析

由于非晶硅材料的原子排列無序，其電子躍遷不再遵守傳統的“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區對應電子在定域態間的躍遷，如費米能級附近的隙態向帶尾態的躍遷，該區的吸收系數較小，約為1～10cm-1，為非本征吸收；B區的吸收系數隨光子能量的增加指數上升，對應于電子從帶邊擴展到導帶定域態的躍遷，以及電子從價帶尾定域態向導帶邊擴展態的躍遷，該區的能量范圍通常只有半個電子伏特左右，但吸收系數通常跨越兩三個數量級，達到104cm-1；C區對應于電子從價帶內部到導帶內部的躍遷，該區的吸收系數較大，通常在104cm-1以上。后兩個吸收區是非晶硅材料的本征吸收區。

從圖4可以看到，兩條曲線的交點約為1.8eV。值得注意的是，在整個可見光范圍內(1.7～3.0eV)，非晶硅材料的吸收系數幾乎都比單晶硅大一個數量級。也就是說，在低光強、長波較大的情況下，非晶硅材料仍有較大的吸收系數。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，使得非晶硅電池無論在理論上和實際使用中都對低光強有較好的適應。

四 結論

通過實驗對非晶硅太陽電池板和單晶硅太陽電池在相同條件下發電量對比，結果表明，在晴天強的太陽光輻照和陰雨天的弱的散射光下，非晶硅太陽電池板均比單晶硅太陽電池板的發電量多，盡管非晶硅太陽電池存在光致衰退S-W效應。

S-W效應是材料中的亞穩態缺陷在輻照和退火的情況下產生的不穩定現象[5]，但其電性能衰退遵循先快后慢，最后趨于趨于穩定的規律。本文選取具有良好封裝的非晶硅太陽電池組件，其電性能已經充分衰退并趨于穩定。

同時，非晶硅電池組件溫度系數小，I-V曲線平緩及低光強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電量高。

[1][美]施敏, 劉曉彥, 賈霖, 康晉鋒[譯]. 現代半導體器件物理[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[2][日]桑野幸德, 鐘伯強 馬英仁[譯]. 太陽能電池及其應用[M].北京: 國防工業出版社, 1985.

[3]雷永泉, 萬群, 石永康. 新能源材料[M]. 天津: 天津大學出版社, 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], 中國太陽能學會2001年學術會議論文摘要集[C], 2001.

[5]陳治明. 非晶半導體材料與器件[M]. 北京: 科學出版社, 1991.