本文使用太陽模擬器研究了溫度對(duì)串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池電性能的影響。本試驗(yàn)在光照強(qiáng)度550W/cm2持續(xù)光照下測(cè)試了單個(gè)、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電性能參數(shù)開路電壓、最大功率、填充因子、效率都隨著溫度的升高而降低，僅有短路電流會(huì)隨著溫度的升高而升高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：串、并聯(lián)晶硅太陽能電池遵從基爾霍夫定律且溫度對(duì)太陽能電池的電性能有很大影響。

1、引言

太陽能作為一種易利用、成本低、清潔能源，將會(huì)成為未來世界基礎(chǔ)能源之一。太陽能也是一種可再生、低碳能源，可量測(cè)且技術(shù)成熟，可以滿足全球?qū)Σ粩嘣鲩L(zhǎng)用電量的需求。在太陽能技術(shù)中，太陽光伏技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，全球0.87%的用電是由太陽能發(fā)電提供的。太陽能電池是光伏能量系統(tǒng)中最重要的一部分，根據(jù)光生伏特效應(yīng)太陽能電池可以直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。硅是一種生產(chǎn)太陽能電池的重要原材料，例如光伏行業(yè)使用的多晶硅。硅太陽能電池是太陽能的一部分，在光伏技術(shù)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。單晶硅技術(shù)發(fā)展快，具有可滿足社會(huì)能源需求的潛力。由于單晶硅太陽能電池維護(hù)成本低、可靠性高、無噪音、綠色環(huán)保，單晶硅太陽能電池發(fā)展快、應(yīng)用廣。太陽能電池的電性能受光強(qiáng)、追蹤角、電池溫度等環(huán)境因素的影響。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率范圍為5%-18%。非晶硅電池的效率最低，單晶硅電池的效率最高。以額定工作溫度為基礎(chǔ)，電池效率受溫度影響較大，根據(jù)電池生產(chǎn)商提供的說明書，電池的正常工作溫度為45℃±2℃。溫度是影響電池質(zhì)量和電性能(開路電壓、短路電流、最大功率、填充因子、效率)的主要因素。電流電壓特性符合公式：

公式中I0反向飽和電流，q電子電荷，n二極管理想因子，K玻爾滋曼常數(shù)，T溫度，Rs串阻，Rsh并阻，IL光生電流。

Radziemska研究報(bào)道了溫度對(duì)硅太陽能電池和二極管的正向暗電流電壓特性的影響。他發(fā)現(xiàn)在持續(xù)100mA正向電流條件下，太陽能電池和二極管正向電壓隨溫度的變化率為-2mV/K、1mA/K。Cuce等人研究了光強(qiáng)、溫度對(duì)光伏太陽能電池參數(shù)的影響。Ghitas研究了入射太陽輻射光譜變化強(qiáng)度對(duì)太陽能電池電性的影響，發(fā)現(xiàn)太陽能光譜向紅外方向移動(dòng)，組件電性能變差。Lin等人使用分?jǐn)?shù)階增量電導(dǎo)法測(cè)試了光伏陣列的最大功率。Khan等人開發(fā)了一種分析方法在強(qiáng)光照下以太陽能電池指數(shù)模型為基礎(chǔ)利用單個(gè)二極管的I-V曲線可以計(jì)算出二極管參數(shù)(串阻、并阻、理想因子、反向飽和電流)。Taguchi等人通過改變非摻雜非晶硅薄層的厚度深入研究了溫度對(duì)本征薄層異質(zhì)結(jié)(HIT)電池的影響。三洋公司Mishima等人也指出了HIT太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀。

盡管有文獻(xiàn)綜述說明了溫度是影響單晶硅太陽能電池的一個(gè)重要因素。但沒有相關(guān)溫度對(duì)串、并聯(lián)電池電性能影響的研究。因此，本文研究了溫度對(duì)串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池電性能的影響。本次試驗(yàn)使用太陽模擬器在光照強(qiáng)度550W/cm2持續(xù)光照下測(cè)試單個(gè)、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能并計(jì)算出開路電壓、短路電流、最大功率、填充因子和效率等參數(shù)。我們計(jì)算并詳細(xì)討論了各個(gè)參數(shù)的溫度系數(shù)。

2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次研究使用兩片單晶硅太陽能電池(4*4cm2)，利用太陽模擬器測(cè)試其電性能。使用帶有兩個(gè)石英鹵素?zé)舻奶柲M器在光照強(qiáng)度550W/cm2持續(xù)光照下測(cè)試單個(gè)、串聯(lián)、并聯(lián)單晶硅太陽能電池在25-60℃范圍內(nèi)的電性能。使用太陽能功率計(jì)測(cè)試鹵素?zé)舻墓庹諒?qiáng)度。圖1是兩個(gè)單晶硅太陽能電池串、并聯(lián)的示意圖。在測(cè)試過程中使用一個(gè)排風(fēng)機(jī)持續(xù)對(duì)太陽模擬器降溫。利用由加熱器和溫度傳感器組成的溫度控制系統(tǒng)來改變單晶硅太陽能電池的溫度，使溫度被控制和穩(wěn)定在我們需要的溫度(20-80℃)。使用單晶硅太陽能電池作為電源，測(cè)試I-V、P-V曲線。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖2-4是光照強(qiáng)度550W/cm2持續(xù)光照下測(cè)試單個(gè)電池、串、并聯(lián)電池在25℃、40℃、50℃和60℃條件下的I-V、P-V曲線。

很明顯溫度對(duì)單個(gè)電池、串并聯(lián)電池的I-V、P-V特性影響很大。在I-V曲線中，電壓較低時(shí)，電流幾乎是一個(gè)常數(shù)，溫度越高電流越大，該趨勢(shì)符合溫度對(duì)電流的影響規(guī)律。但單個(gè)、串、并聯(lián)電池的電流趨勢(shì)分別在0.3V、0.7V、0.43V時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)。溫度越高電流越小且電流隨著電壓的升高快速降低，電流最小大約是8-10mA。原因可歸因于：隨著溫度的升高載流子產(chǎn)生速率增大，反向飽和電流快速增大。P-V曲線和I-V曲線的趨勢(shì)類似。電壓較低時(shí)，隨著電壓的增大，輸出功率幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì);達(dá)到最大點(diǎn)后，輸出功率快速降低。P-V曲線有最高點(diǎn)，最高點(diǎn)處的電壓、電流均比開路電壓、短路電流低。這個(gè)結(jié)果和以前單個(gè)單晶硅太陽能電池的研究結(jié)果相吻合。串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的電流、電壓遵循基爾霍夫定律。串聯(lián)電池的輸出電壓是兩個(gè)單個(gè)電池的兩倍，電流和單個(gè)電池相同;并聯(lián)電池的電壓和單個(gè)電池相同，電流是單個(gè)電池的兩倍。

圖5和表1是不同溫度條件下的單個(gè)、串、并聯(lián)電池的電性能數(shù)據(jù)(Voc、Isc、FF)。很明顯隨著溫度的升高，單個(gè)、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池的Voc和FF略微下降，Isc升高。溫度對(duì)Uoc的影響較大，對(duì)Isc的影響較小。Voc和接觸電勢(shì)差VD呈指數(shù)關(guān)系，VD由以下公式得出：

ND施主雜質(zhì)濃度，NA受主雜質(zhì)濃度，ni本征載流子濃度。隨著溫度的升高，ni快速增大，VD和Voc降低。Isc和產(chǎn)生載流子的數(shù)量以及載流子的遷移率呈指數(shù)關(guān)系，也強(qiáng)烈依賴于載流子的產(chǎn)生速率和擴(kuò)散長(zhǎng)度。隨著溫度的升高，載流子的生成速度增大，Isc增大。這和以前相關(guān)的研究結(jié)果相符。我們計(jì)算了Voc、Isc、FF相應(yīng)的溫度系數(shù)。單個(gè)、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池Voc溫度系數(shù)分別是-0.00012/℃、-0.00028/℃、-0.00011/℃，研究結(jié)果表明Voc隨著溫度的升高而降低。單個(gè)、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池Isc溫度系數(shù)分別是0.0005/℃、0.0004/℃、0.0002/℃，表明Isc隨著溫度的升高略微升高。這和Kamkird等人之前的研究結(jié)果相符。FF通過以下公式計(jì)算得出：

Vmax最大功率點(diǎn)電壓，Imax最大功率點(diǎn)電流。FF隨著溫度的升高而降低，由于并聯(lián)電池電阻損失較大，F(xiàn)F相對(duì)較低。單個(gè)、串、并聯(lián)單晶硅太陽能電池FF溫度系數(shù)分別是-0.0023/℃、-0.0020/℃、-0.0021/℃。