非晶硅太阳电池的光电性能分析

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1、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：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；IV特性；吸收系数。刖言国内外光伏产业的形势是尽人皆知的，见表1、图11。至|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

2、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K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520.15MW33.22003 年744.3MW43.12004 年1256MW66.72005 年1656MW31.8量硅硅硅产晶晶晶总多单非图1. 2004年各类太阳电池的生产量2004年各类太阳电池生产总量达到1256MW。其中：多晶

3、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

4、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。(1).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 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

5、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 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

6、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 P

7、hotovoltaic 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 下面公式进行计算。Pmeffec.= PmX 1+a （T -25C）其中：Pmeffec.-为电池组件在T温度工作时 （AM1.5, 1000瓦/

8、平方米）的最大输出功率；Pm 为电池组件在25 C，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60C的 温度下工作，将它们的温度系数代入上式，贝0 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60C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

9、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。电池组件电压伏）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 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

10、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型号PmVmImV)cIscXQT-5-1517.30.2921.000.34XQT-10-1017.50.5721.000.68XQT-20-2017.51.1521.001.35XQT-40-4017.52.2521.002.70JNDC-404

11、0.044.60.960.21.1表3.两种电池的Pm,Vm,Voc,外接蓄电池情况比较电池类型晶硅XQT-40非晶硅JN-40Pm （瓦）40.040.0Vm （伏）17.544.6Vjc (伏)21.060.2蓄电池电压（Vxu）12伏36伏V)c- Vxu9伏24.2 伏当光强逐渐变小时，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

12、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.

13、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-i，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-i； 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 104cm-i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

14、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 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

15、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