非晶硅太陽電池的光電性能分析

非晶硅太陽電池的光電性能分析王宗畔，董貴元，楊連華，劉軍亮，周祥，胡汛，于冬安單位:天津市津能電池科技有限公司摘要：許多專家認為薄膜電池是太陽電池的發(fā)展方向，但是，非晶硅電池產(chǎn)業(yè)為什么沒有人們預(yù)想的發(fā)展速度呢？讓我們從以下幾方面進行分析，使人們對非晶硅電池更加了解。關(guān)鍵詞：光伏會議；光致衰退；I?V特性；吸收系數(shù)。、八、'前言國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的形勢是盡人皆知的，見表1、圖1［1］。到目前為止，太陽電池產(chǎn)量排世界前三名的仍是多晶、單晶和非晶硅電池。2004年它們的產(chǎn)量分別為703MW、364MW和49MW。這種格局短時間不會改變。但是，由于硅材料的短缺，在一定程度上限制了晶硅電池的發(fā)展。由于非晶硅薄膜電池的材料消耗不足晶硅電池的1/200，所以，近幾年的產(chǎn)量可能會有大的增長。表1?近十年F世界太陽電池產(chǎn)量及增長率表1?近十年F世界太陽電池產(chǎn)量及增長率年份世界總產(chǎn)量年增長率（％）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量硅硅硅產(chǎn)晶晶晶總多單非圖1.2004年各類太陽電池的生產(chǎn)量2004年各類太陽電池生產(chǎn)總量達到1256MW。其中：多晶硅703MW，單晶硅364MW，非晶硅49MW,非晶硅/單晶硅63MW，帶硅38MW,碲化鎘13.8MW，銅銦鎵硒3.8MW［1］。目前，晶硅電池仍然是電池的主體。非晶硅電池仍然列第三位。許多專家都認為薄膜電池是太陽電池的發(fā)展方向，而且，潛力大，優(yōu)勢明顯，性價比高。但是，非晶硅電池為什么沒有預(yù)想的快呢？我們認為，有一些問題尚需進一步討論，以便對非晶硅電池有一個統(tǒng)一、較清楚的認識。一.非晶硅材料的S-W效應(yīng)對電池的影響有多大？S-W效應(yīng)是1977年Staebler和Wronski在光電導(dǎo)實驗中發(fā)現(xiàn)的。光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)的變化是材料中的亞穩(wěn)態(tài)缺陷在輻照和退火情況下產(chǎn)生和消失的外部反應(yīng)［2］。由于非晶硅太陽電池的本征層是非晶硅材料，所以，非晶硅太陽電池也會受S-W效應(yīng)的影響?！胺蔷Ч杼栯姵氐脑缙谒ネ恕笔强蒲腥藛T多年研究的課題。不是影響用戶使用，更不是用戶擔心的問題。在此，本文進行一點說明，以求得共識。⑴．非晶硅太陽電池的早期衰退機理從材料結(jié)構(gòu)上說，非晶硅與同質(zhì)晶體有相同的配位數(shù)，但鍵長和鍵角略有改變。描述非晶結(jié)構(gòu)的連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型認為，非晶硅就是由這樣一些稍被扭曲的單元隨機連接而成的。單元與單元之間不存在固定的位形關(guān)系。其有序范圍約在1?2個原子范圍內(nèi)。由于無序，在非晶硅中存在著懸掛健、應(yīng)力和微空洞這樣的結(jié)構(gòu)缺陷[3]，并在能隙中產(chǎn)生了帶尾。帶尾與結(jié)構(gòu)缺陷作為復(fù)合中心影響了載流子的輸運。使非晶硅電池的效率降低。非晶硅中的空洞為弱鍵的產(chǎn)生以及弱鍵與懸掛鍵之間的轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件。因為弱鍵乃是由同一空位或微空洞中的兩個相鄰懸掛鍵配對而成的。在長時間光照下，非晶硅太陽電池中會產(chǎn)生光生亞穩(wěn)態(tài)，這種光生亞穩(wěn)態(tài)就是硅-硅弱鍵斷裂后的兩個懸掛鍵。光生亞穩(wěn)態(tài)使P-I界面附近的空間電荷密度升高，而使電池中的準中性區(qū)變寬，即由于耗盡區(qū)的收縮使本征層中的低電場區(qū)或無場區(qū)增加[4][5][6]造成了光生載流子的復(fù)合增大，從而出現(xiàn)人們常說的“非晶硅太陽電池的早期衰退”。（2）.非晶硅太陽電池的早期衰退到底有多大？非晶硅太陽電池的早期衰退量根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)和制造電池時的工藝條件的不同而產(chǎn)生差異。對此，許多單位和專家已經(jīng)做了多年的研究、探討工作，這里不再贅述。到目前為止，結(jié)論是：非晶硅太陽電池的早期衰退呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律，主要集中在前期（約3個月?1年），電池衰退經(jīng)歷時間的長短與太陽電池的使用環(huán)境有關(guān)。一般來說，單結(jié)電池衰退約為24%、雙結(jié)約為15%、三結(jié)約為13%（這些衰退量，在太陽電池出售時，銷售方已經(jīng)予以扣除，按照穩(wěn)定功率計價）。二.非晶硅太陽電池為什么比晶硅電池發(fā)電多？對于同樣功率的太陽電池陣列，非晶硅太陽電池比單晶硅、多晶硅電池發(fā)電要多。這已經(jīng)被美國的Uni-SolarSystemLLC、EnergyPhotovoltaicCorp、日本的KanekaCorp、荷蘭能源研究所以及其他的光伏界組織和專家證實了[7][8][9]。對此，提出以下解釋，不一定確切，僅供參考。非晶硅太陽電池比單晶硅、多晶硅電池具有相對小的溫度系數(shù)非晶硅太陽電池最佳輸出功率Pm的溫度系數(shù)約為-0.19%,而單晶硅、多晶硅電池最佳輸出功率Pm的溫度系數(shù)約為-0.5%，當電池的工作溫度升高時，兩種電池都會出現(xiàn)Pm下降的情況，但下降幅度是不同的。它們都可以用下面公式進行計算。Pmeffec.二PmX[1+a（T-25°C）]其中：Pmeffec.--為電池組件在T溫度工作時（AM1.5，1000瓦/平方米）的最大輸出功率；Pm—為電池組件在25C，標準測試條件下（AM1.5,1000瓦/平方米）的最大輸出功率;a 為電池組件的功率溫度系數(shù)。舉例來說，如果兩種電池組件都在60C的溫度下工作，將它們的溫度系數(shù)代入上式，則晶硅電池與非晶硅電池的最大功率衰退情況分別為：晶硅電池：Pmefeic./Pm=82.5%非晶硅電池：Pmefeic./Pm=93.35%也就是說，如果兩種電池的Pm都是1000瓦，它們都在60C下工作，這時晶硅電池的Pm降到825瓦，非晶硅電池的Pm降到933.5瓦。非晶硅電池多發(fā)電108.5瓦，相當于多發(fā)電13.2%。非晶硅電池的I?V特性在超過Vm以后隨電壓下降緩慢為了比較方便，我們把兩種電池的卜V特性畫在同一張圖上。晶硅電池和非晶硅電池的I?V特性一般形狀如圖2所示。電池組件電壓〔伏〕圖2.兩種電池的I~V特性從圖中我們看到，兩種電池在超過最大輸出功率點后曲線變化差距較大。晶硅電池的輸出電流在超過最大輸出功率點后會很快下降到零，曲線陡直；而非晶硅電池的輸出電流經(jīng)過一段較長的距離后才下降到零，曲線較為平緩。兩種電池的Vm分別大約相當于其開路電壓的83%和74%。例如：成都市新奇特燈具廠的晶硅太陽電池組件的參數(shù)表如表2。它們的開路電壓均為21伏。Vm平均約為17.5伏。兩者差距為3.5伏。這種組件外接蓄電池的額定電壓一般為12伏。它與開路電壓的差值為9伏。津能公司的非晶硅電池組件的電參數(shù)表如表2最后一行。它的開路電壓為60.2伏，Vm為44.6伏。兩者差距為15.6伏。這種組件外接蓄電池的額定電壓一般為36伏。它與開路電壓的差距為24.2伏。兩種電池的Pm,Vm,Voc,外接蓄電池情況比較見表3。表2.晶硅、非晶硅太陽電池電參數(shù)表型號PmVmImVOcIscXQT-5-1517.30.2921.000.34XQT-10-1017.50.5721.000.68XQT-20-2017.51.1521.001.35XQT-40-4017.52.2521.002.70JNDC-4040.044.60.960.21.1表3.兩種電池的Pm,Vm,Voc,外接蓄電池情況比較電池類型晶硅XQT-40非晶硅JN-40Pm（瓦）40.040.0Vm（伏）17.544.6VOc（伏）21.060.2蓄電池電壓（Vxu）12伏36伏VOc-Vxu9伏24.2伏當光強逐漸變小時，太陽電池的短路電流和開路電壓都會隨之強降低。當然，短路電流減小得比較快，開路電壓降低得比較慢。在蓄電池做太陽電池陣列負載的情況下，當太陽電池陣列的有效輸出電壓小于蓄電池的端電壓時，蓄電池就不能夠被充電。從表中可以看到，非晶硅電池的開路電壓與作為負載的蓄電池端電壓之差為24.2伏，晶硅電池的開路電壓與蓄電池端電壓之差為9伏。當光強逐漸變小時，晶硅電池先不滿足充電條件，而非晶硅電池由于較大的電壓差，到光線很暗時才不充電，有效的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(chǎn)生一些電力。關(guān)于這一點，在實際應(yīng)用中已經(jīng)得到證實。津能電池公司提供給內(nèi)蒙古錫盟的光伏水泵系統(tǒng)，在揚沙情況下仍能啟動水泵抽水，使當?shù)赜脩舾械胶芤馔猓褪巧厦娴脑蛟斐傻?。三．非晶硅太陽電池低光強下的光、電性能分析由于非晶硅材料原子排列無序的特點，它的電子躍遷不再遵守傳統(tǒng)的“選擇定則”限制，因此，它的光吸收特性與單晶硅材料存在著較大的差別。非晶硅和單晶硅材料的吸收曲線如非晶硅的吸收曲線具有明顯的三段（A、B、C）特征。A區(qū)對應(yīng)電子在定域態(tài)間的躍遷，如費米能及附近的隙態(tài)向帶尾態(tài)的躍遷，該區(qū)的吸收系數(shù)較小，約1?10cm-i，為非本正吸收；B區(qū)的吸收系數(shù)隨光子能量的增加指數(shù)上升，它對應(yīng)于電子從價帶邊擴展態(tài)到導(dǎo)帶定域態(tài)的躍遷，以及電子從價帶尾定域態(tài)向?qū)н厰U展態(tài)的躍遷，該區(qū)的能量范圍通常只有半個電子伏特左右，但吸收系數(shù)通常跨越兩三個數(shù)量級，達到104cm-1；C區(qū)對應(yīng)于電子從價帶內(nèi)部到導(dǎo)帶內(nèi)部的躍遷，該區(qū)的吸收系數(shù)較大，通常在104cm-1以上。后兩個吸收區(qū)是非晶硅材料的本征吸收區(qū)[10].。從圖中可以看到，兩條曲線的交點約在1.8ev左右。值得注意的是，在整個可見光范圍內(nèi)（1.7?3.0ev）,非晶硅材料的吸收系數(shù)幾乎都比單晶硅大一個數(shù)量級。也就是說，在陽光不太強的上午前半部、下午后半部、以及多云等低光強、長波比重較大的情況下，非晶硅材料仍有較大的吸收系數(shù)。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，使得非晶硅太陽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(yīng)。四．使用非晶硅太陽電池時應(yīng)注意什么？由于消費者購買非晶硅太陽電池的功率數(shù)是穩(wěn)定功率，所以，電站剛安裝之后的發(fā)電量要比購買時承諾的多10%以上。例如：購買雙結(jié)非晶硅太陽電池40瓦，剛安裝時的發(fā)電功率為47瓦。在設(shè)計光伏系統(tǒng)配置以及使用時應(yīng)予以考慮。由于非晶硅太陽電池I?V特性的特點以及相對小的溫度系數(shù)，發(fā)電較多，可以適當考慮將太陽電池的工作點適當右移，并減少購買量，節(jié)省資金。由于非晶硅太陽電池對低光強有較好的適應(yīng)，所以，在日照不是很好的地區(qū)可以考慮多使用非晶硅太陽電池。五．結(jié)論1．鑒于非晶硅材料的結(jié)構(gòu)特點，太陽電池會出現(xiàn)早期衰退現(xiàn)象，衰退呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律，主要集中在前期，衰退經(jīng)歷的時間長短與太陽電池的使用環(huán)境有關(guān)。一般來說，單結(jié)電池衰退約為24%、雙結(jié)約為15%、三結(jié)約為13%(這些衰退量，在太陽電池出售時，銷售方已經(jīng)予以扣除，即按照穩(wěn)定功率計價)。由于非晶硅太陽電池I?V特性方面的特點以及相對小的溫度系數(shù)，使它與晶硅電池相比可以發(fā)出更多的電力。在設(shè)計系統(tǒng)時，可適當考慮將太陽電池的工作點右移。由于非晶硅太陽電池對低光強有較好的適應(yīng)，所以，在開發(fā)利用非晶硅太陽電池時，應(yīng)予以適當關(guān)注。參考文獻：[1].耿新華，“硅薄膜太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景”，華基講演稿，2006-5-8.陳治明，“非晶半導(dǎo)體材料與器件”，科學(xué)出版社，1991，P231-?238。.GuhaandJeffreyYang，ScienceandTechnologyofAmorphousSiliconAlloyPhotovoltaics，IEEE，VOl.46,No.10,10月，P2082,(1999)。[4]陳治明，《非晶半導(dǎo)體材料與期間》科學(xué)出版社，(1991)，P232-233。N.Nakamura等TheLightInducedEffectofA-SiFilmsandSolarCell,ICSWEA（中國），（1985）。.S.Tsuda等，“Light-InducedInstabilityofAmorphousSiliconPhotovoltaicCell”,SOLARCELL,9（1983）25-36。⑺.引自美國BekaertECDSolarSystemLLC提供的：三結(jié)技術(shù)“AboutSolarSys