單晶硅太陽電池的溫度特性及溫度對其影響研究

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產(chǎn)生最大影響的因素。經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率）的影響。

關(guān)鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發(fā)展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發(fā)生很大變化，最終影響電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉(zhuǎn)換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數(shù)，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現(xiàn)各特征參數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)公式（1）假設(shè)E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數(shù)則呈現(xiàn)出一個線性關(guān)系，運用線性擬合能夠得出各參數(shù)的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數(shù)都會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，進而表現(xiàn)出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設(shè)在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發(fā)射電流，JI：依賴于雜質(zhì)離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數(shù)（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數(shù)，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質(zhì)濃度有關(guān)的常數(shù)，EI：雜質(zhì)或表面態(tài)能級（6）

依據(jù)等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關(guān)，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關(guān)，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發(fā)揮的作用，若JI先發(fā)生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據(jù)上述分析可知，在一定溫度范圍之內(nèi)，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結(jié)控制一個光激發(fā)的電流產(chǎn)生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯(lián)電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環(huán)境下，輸出電流與電壓關(guān)系的公式是：

由公式9可分別得出2組關(guān)系，即輸出電流與Rsh、Rs的關(guān)系；輸出電壓與Rsh、Rs的關(guān)系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態(tài)下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數(shù)，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數(shù)形式，原因在于光電流流過Rs時會產(chǎn)生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據(jù)單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯(lián)內(nèi)阻、串聯(lián)內(nèi)阻的控制，若處于弱光狀態(tài)則并聯(lián)內(nèi)阻的影響力會加大。假設(shè)n在溫度變化中成恒定狀態(tài)，則能得到串聯(lián)內(nèi)阻與溫度的關(guān)系，即溫度的升高會引起串聯(lián)內(nèi)阻的增大。根據(jù)物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區(qū)電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯(lián)內(nèi)阻的增大而下降。假設(shè)理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現(xiàn)一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關(guān)系。

2.4 溫度對轉(zhuǎn)換效率的影響

根據(jù)開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響呈反比關(guān)系，溫度的升高會引起轉(zhuǎn)換效率（？濁）的下降。經(jīng)過實驗測試得出結(jié)論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態(tài)良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內(nèi)會各自出現(xiàn)一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結(jié)束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內(nèi)溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率會產(chǎn)生一定的影響，這4個參數(shù)會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結(jié)論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關(guān)系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值的填充因子；轉(zhuǎn)換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值和極小值的轉(zhuǎn)換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統(tǒng)，學歷：碩士研究生。

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產(chǎn)生最大影響的因素。經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率）的影響。

關(guān)鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發(fā)展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發(fā)生很大變化，最終影響電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉(zhuǎn)換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數(shù)，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現(xiàn)各特征參數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)公式（1）假設(shè)E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數(shù)則呈現(xiàn)出一個線性關(guān)系，運用線性擬合能夠得出各參數(shù)的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數(shù)都會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，進而表現(xiàn)出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設(shè)在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發(fā)射電流，JI：依賴于雜質(zhì)離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數(shù)（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數(shù)，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質(zhì)濃度有關(guān)的常數(shù)，EI：雜質(zhì)或表面態(tài)能級（6）

依據(jù)等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關(guān)，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關(guān)，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發(fā)揮的作用，若JI先發(fā)生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據(jù)上述分析可知，在一定溫度范圍之內(nèi)，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結(jié)控制一個光激發(fā)的電流產(chǎn)生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯(lián)電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環(huán)境下，輸出電流與電壓關(guān)系的公式是：

由公式9可分別得出2組關(guān)系，即輸出電流與Rsh、Rs的關(guān)系；輸出電壓與Rsh、Rs的關(guān)系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態(tài)下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數(shù)，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數(shù)形式，原因在于光電流流過Rs時會產(chǎn)生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據(jù)單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯(lián)內(nèi)阻、串聯(lián)內(nèi)阻的控制，若處于弱光狀態(tài)則并聯(lián)內(nèi)阻的影響力會加大。假設(shè)n在溫度變化中成恒定狀態(tài)，則能得到串聯(lián)內(nèi)阻與溫度的關(guān)系，即溫度的升高會引起串聯(lián)內(nèi)阻的增大。根據(jù)物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區(qū)電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯(lián)內(nèi)阻的增大而下降。假設(shè)理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現(xiàn)一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關(guān)系。

2.4 溫度對轉(zhuǎn)換效率的影響

根據(jù)開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響呈反比關(guān)系，溫度的升高會引起轉(zhuǎn)換效率（？濁）的下降。經(jīng)過實驗測試得出結(jié)論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態(tài)良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內(nèi)會各自出現(xiàn)一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結(jié)束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內(nèi)溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率會產(chǎn)生一定的影響，這4個參數(shù)會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結(jié)論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關(guān)系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值的填充因子；轉(zhuǎn)換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值和極小值的轉(zhuǎn)換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統(tǒng)，學歷：碩士研究生。

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產(chǎn)生最大影響的因素。經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率）的影響。

關(guān)鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發(fā)展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發(fā)生很大變化，最終影響電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉(zhuǎn)換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數(shù)，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現(xiàn)各特征參數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)公式（1）假設(shè)E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數(shù)則呈現(xiàn)出一個線性關(guān)系，運用線性擬合能夠得出各參數(shù)的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數(shù)都會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，進而表現(xiàn)出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設(shè)在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發(fā)射電流，JI：依賴于雜質(zhì)離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數(shù)（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數(shù)，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質(zhì)濃度有關(guān)的常數(shù)，EI：雜質(zhì)或表面態(tài)能級（6）

依據(jù)等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關(guān)，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關(guān)，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發(fā)揮的作用，若JI先發(fā)生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據(jù)上述分析可知，在一定溫度范圍之內(nèi)，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結(jié)控制一個光激發(fā)的電流產(chǎn)生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯(lián)電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環(huán)境下，輸出電流與電壓關(guān)系的公式是：

由公式9可分別得出2組關(guān)系，即輸出電流與Rsh、Rs的關(guān)系；輸出電壓與Rsh、Rs的關(guān)系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態(tài)下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數(shù)，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數(shù)形式，原因在于光電流流過Rs時會產(chǎn)生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據(jù)單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯(lián)內(nèi)阻、串聯(lián)內(nèi)阻的控制，若處于弱光狀態(tài)則并聯(lián)內(nèi)阻的影響力會加大。假設(shè)n在溫度變化中成恒定狀態(tài)，則能得到串聯(lián)內(nèi)阻與溫度的關(guān)系，即溫度的升高會引起串聯(lián)內(nèi)阻的增大。根據(jù)物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區(qū)電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯(lián)內(nèi)阻的增大而下降。假設(shè)理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現(xiàn)一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關(guān)系。

2.4 溫度對轉(zhuǎn)換效率的影響

根據(jù)開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響呈反比關(guān)系，溫度的升高會引起轉(zhuǎn)換效率（？濁）的下降。經(jīng)過實驗測試得出結(jié)論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態(tài)良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內(nèi)會各自出現(xiàn)一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結(jié)束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內(nèi)溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率會產(chǎn)生一定的影響，這4個參數(shù)會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結(jié)論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關(guān)系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值的填充因子；轉(zhuǎn)換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關(guān)系，會出現(xiàn)一個極大值和極小值的轉(zhuǎn)換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統(tǒng)，學歷：碩士研究生。