15-温度对组件发电的影响分析

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1、温度对光伏组件性能的影响分析曹晓宁1闻震利2(1.中广核太阳能开发有限公司100048;2.镇江大全太阳能有限公司212211)太阳能利用是解决能源危机和环境问题的必由之路，各国对太阳能的利用越来越重视。光伏发电是太阳能利用发展最迅猛的领域，据不完全统计，目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp，而且在持续高速增长。光伏发电是依靠光伏组件利用光伏伏打效应直接将太阳能转换为电能，作为光伏发电的核心元件，组件的效率直接决定了电站的发电量。通常太阳电池的效率指的是标准条件下的组件的效率，标准条件具体是指：温度25℃，光谱分布AM1.5，辐照强度是1000

2、W/m2，组件的标称功率也是在标准条件下的测试结果。组件是一种光电子半导体器件，温度是影响其性能的重要因素，本文系统研究分析温度对组件性能的影响。1.光伏组件原理太阳电池是光伏发电的最小的基本单元，由于其输出电压很小，而且耐候性差，因此无法直接用于发电，通常将太阳电池片利用各种辅材封装串联组合在一起构成光伏组件，才能直接用于光伏发电。太阳电池是利用光生伏特效应把太阳能直接转换成电能的半导体器件，其本质上就是一个大面积的PN结，当太阳光照射到电池表面是，被吸收的光子会在P区和N区产生电子－空穴对，当电子空穴对扩散至PN结的空间电荷区，在PN结的内建电场作用下而分离

3、，电子移向低电位N区，空穴移向P区，由于电子和空穴的积累，P区和N区间就产生了光生电动势，这时如果接通电路，就会形成电流，实现太阳能到电能的转换。当光照条件下的太阳电池接入负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳电池的工作状况可以用图1-1所示的等效电路来描述。图中把太阳电池看成能稳定地产生光电流IL的电流源（只要光源稳定），与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh。图1太阳电池等效电路图光照条件的太阳电池被短路时，PN结处于零偏压，这是短路电流等于光生电流，正比于入射光强，即，当太阳电池开路时，若不考虑串并联电阻的影响，开路

4、电压与短路电流的关系为：…………………………………………………….(1)其中n是二极管的品质因子，k是波尔兹曼常数，T是开尔文温度，q是电子电量，Io是二极管的反向饱和电流。2.温度对光伏组件的影响像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高会导致太阳电池的开路电压降低，短路电流会略微增加，如图2所示，总体的结果是输出功率降低，下面进行详细分析。图2不同温度组件的I-V曲线太阳电池的开路电压是由PN的内建电势决定的，随着光照强度增加，组件的开路电压会增加，但是最大只能增加到内建势垒消失，因此Voc的极限值是内建电势Vbi，其表达式为：……………

5、…………………………………………………(2)其中k是波尔兹曼常熟，T是开尔文温度，q是电子电量，ND是施主浓度，NA是受主浓度，ni是本征载流子浓度。像所有其它半导体器件一样，太阳能电池对温度非常敏感。因为随着温度的升高，材料中的电子能量会提高，因此破坏共价键所需的能量更低，在半导体禁带宽度的共价键模型中，价键能量的降低意味着禁带宽度变小，而半导体禁带宽度变小会影响半导体材料的各项参数，进而影响太阳电池的效率。具体说来，半导体材料的禁带宽度变小，本征载流子浓度会变大，则PN结的内建势变小，光伏组件的开路电压会变小。下面章节利用半导体器件的理论进行推导，定量计算温

6、度对光伏组件电性能的影响。根据半导体器件理论，PN结的反向饱和电流可用下式表示：……………………………………………………………….…(3)其中q为电子电量，A是PN结的面积，D为少数载流子的扩散系数，L为少数载流子的扩散长度，ND为施主掺杂浓度，ni为本征载流子浓度。本征载流子浓度决定于禁带宽度（禁带宽度越小本征载流子浓度越高）以及载流子的能量（载流子能量越高浓度越高），外界环境因素中温度对本征载流子浓度ni的影响最大。关于本征载流子的方程为：……………………………………(4)其中T为开尔文温度，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，me和mh分别是电子和空穴的有效

7、质量；EG0为禁带宽度，B是一个常数。将方程（4）带入式（3），整理即可得到：…………………………………………....(5)式中B’为一个不受温度影响的常数。根据式（5）可以推算对于温度接近于室温的硅太阳电池，温度每升高10°C，反向饱和电流Io大约将增大一倍。把式（5）代入到式（1）中，整理便可得到Io对开路电压的影响。…………….(6)其中VG0=EG0/q。若忽略短路电流Isc随温度的变化对开路电压Voc的影响，则可得到：…………………………………………………………..(7)由上式可知太阳电池的温度敏感性取决于开路电压的大小，即电池的开路电压越大，受温度的

8、影响就越小。对于硅来说，