非晶硅太阳电池的光电性能分析

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1、1非晶硅太阳电池的光电性能分析非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：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：关键词：光伏会议；光致衰退；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 11。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，

2、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。表 1.近十年世界太阳电池产量及增长率年份世界总产量年增长率(%)1996 年92.0MW13.61997 年122.0MW32.61998 年153.0MW25.41999 年202.1MW32.12000 年287.65MW25.42001 年390.54MW32.12002 年2001 年520.15MW33.22003 年744.3MW43.12004 年2001 年1256MW66.72005 年2001 年1656MW31.8 图 1. 2004 年各类太

3、阳电池的生产量 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 3.8MW1。 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

4、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。 非晶硅太阳电池的早期衰退机理 从材料结构上说，非晶硅与同质晶体有相2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 12 个原

5、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456造成了光生载 流子的复合增大，从而出现人们常说的“非

6、晶 硅太阳电池的早期衰退” 。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

7、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789。对此，提出以下解释，不一定确切，仅供参考。 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

8、面公式进行计算。 Pmeffec.= Pm1+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

9、，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 IV 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 IV 特 性画在同一张图上。晶硅电池和非晶硅电池的 IV 特性一般形状如图 2 所示。图 2. 两种电池的 IV 特性从图中我们看到，两种电池在超过最大输3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

10、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

11、型号PmVmImVocIscXQT-5-12517.30.2921.000.34XQT-10-121017.50.5721.000.68XQT-20-122017.51.1521.001.35XQT-40-124017.52.2521.002.70JNDC-4040.044.60.960.21.1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

12、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

13、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 110cm-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

14、数 较大，通常在 104cm-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（1.73.0ev） ，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、以及多云等电池类型晶硅 XQT-40非晶硅 JN-40Pm（瓦）40.040.0Vm（伏）17.544.6Voc（伏）21.060.2蓄电池电压（Vxu）12 伏36 伏Voc- Vxu9 伏24.2 伏4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

15、向饱和电流 I0较小。以及如前所 述的非晶硅电池 IV 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。 2. 由于非晶硅太阳电池 IV 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

16、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。 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 IV 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