單晶硅太陽電池的溫度特性及溫度對其影響研究

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產生最大影響的因素。經實驗測試發現溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率）的影響。

關鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率產生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發生很大變化，最終影響電池將太陽能轉換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現各特征參數之間的關系。

根據公式（1）假設E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數則呈現出一個線性關系，運用線性擬合能夠得出各參數的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數都會隨著溫度的變化而發生變化，進而表現出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發射電流，JI：依賴于雜質離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質濃度有關的常數，EI：雜質或表面態能級（6）

依據等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發揮的作用，若JI先發生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據上述分析可知，在一定溫度范圍之內，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結控制一個光激發的電流產生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環境下，輸出電流與電壓關系的公式是：

由公式9可分別得出2組關系，即輸出電流與Rsh、Rs的關系；輸出電壓與Rsh、Rs的關系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數形式，原因在于光電流流過Rs時會產生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯內阻、串聯內阻的控制，若處于弱光狀態則并聯內阻的影響力會加大。假設n在溫度變化中成恒定狀態，則能得到串聯內阻與溫度的關系，即溫度的升高會引起串聯內阻的增大。根據物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯內阻的增大而下降。假設理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關系。

2.4 溫度對轉換效率的影響

根據開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉換效率的影響呈反比關系，溫度的升高會引起轉換效率（？濁）的下降。經過實驗測試得出結論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內會各自出現一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率會產生一定的影響，這4個參數會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關系，會出現一個極大值的填充因子；轉換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關系，會出現一個極大值和極小值的轉換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統，學歷：碩士研究生。

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產生最大影響的因素。經實驗測試發現溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率）的影響。

關鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率產生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發生很大變化，最終影響電池將太陽能轉換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現各特征參數之間的關系。

根據公式（1）假設E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數則呈現出一個線性關系，運用線性擬合能夠得出各參數的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數都會隨著溫度的變化而發生變化，進而表現出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發射電流，JI：依賴于雜質離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質濃度有關的常數，EI：雜質或表面態能級（6）

依據等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發揮的作用，若JI先發生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據上述分析可知，在一定溫度范圍之內，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結控制一個光激發的電流產生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環境下，輸出電流與電壓關系的公式是：

由公式9可分別得出2組關系，即輸出電流與Rsh、Rs的關系；輸出電壓與Rsh、Rs的關系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數形式，原因在于光電流流過Rs時會產生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯內阻、串聯內阻的控制，若處于弱光狀態則并聯內阻的影響力會加大。假設n在溫度變化中成恒定狀態，則能得到串聯內阻與溫度的關系，即溫度的升高會引起串聯內阻的增大。根據物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯內阻的增大而下降。假設理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關系。

2.4 溫度對轉換效率的影響

根據開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉換效率的影響呈反比關系，溫度的升高會引起轉換效率（？濁）的下降。經過實驗測試得出結論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內會各自出現一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率會產生一定的影響，這4個參數會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關系，會出現一個極大值的填充因子；轉換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關系，會出現一個極大值和極小值的轉換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統，學歷：碩士研究生。

摘 要：為提高單晶硅太陽電池的輸出性能，加強單晶硅太陽電池的轉換功效，這需要人們進一步了解單晶硅太陽電池各方面的特性，抓住對單晶硅太陽電池產生最大影響的因素。經實驗測試發現溫度是單晶硅太陽電池功效的最主要影響因素，文章從單晶硅太陽電池的溫度特性分析入手，進而探究溫度對單晶硅太陽電池各方面（開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率）的影響。

關鍵詞：單晶硅太陽電池；溫度；開路電壓；短路電流；填充因子；影響

引言

當前，單晶硅太陽電池是一種發展最快、應用最廣的太陽能電池。雖說單晶硅太陽電池的輸出性能會受到多方面因素的影響，不過最主要的影響因素還是溫度，當其他條件都相同而溫度不同時，溫度會對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率產生極大的影響，進而造成電池的輸出功率發生很大變化，最終影響電池將太陽能轉換成電能的功效。

1 單晶硅太陽電池的溫度特性

Voc（開路電壓）、ISC（短路電流）、FF（填充因子）、？濁（轉換效率）這些分別是組成單晶硅太陽電池的主要特征參數，公式：

？濁=■，E：光強，A：太陽電池面積（1）

可以表現各特征參數之間的關系。

根據公式（1）假設E=1000W/m2，溫度與ISC、VOC、、FF、？濁這四個參數則呈現出一個線性關系，運用線性擬合能夠得出各參數的溫度變化率。溫度對單晶硅太陽電池的ISC、VOC、、FF、？濁具有一定的影響，這4個參數都會隨著溫度的變化而發生變化，進而表現出單晶硅太陽電池的溫度特性。因此，了解單晶硅太陽電池的溫度特性，把握溫度對單晶硅太陽電池的各種影響，這更利于提高單晶硅太陽電池的功效。

2 溫度對單晶硅太陽電池的影響分析

2.1 溫度對開路電壓的影響

假設在開路條件下，輸出電壓V=VOC，J=0（VOC：開路電壓，J：電流）若，Jo

由公式（2）可得出，Jo與Jph決定著Voc的變化，則可用三項電流之和來表示e與Jo，即

Jo=JT+JI+JD，JT：熱離子發射電流，JI：依賴于雜質離子、表面密度、能量的復合電流，JD：一小的電漏電量，通常視為常數（3）

JD=D，由隧道效應等引起的電流（4）

JT=A*T2exp（-？準B/kT），A*：查德常數，？準B：勢壘高度（5）

JI=Cexp（-EI/？資T），C：與雜質濃度有關的常數，EI：雜質或表面態能級（6）

依據等效電路可知，JD與Rsh（分流電阻）相關，不過溫度的變化對其影響不大可忽略，而JT與JI和Z（非線性阻抗）相關，于是JT與JI隨溫度的變化會影響到Jo的溫度變化，而VOC的溫度效應又由Jo所引起。

下面分析JT與JI在不同溫度條件下所發揮的作用，若JI先發生作用，可得到：

VOC=InA-In（A*T2）■+■ （2-6）

如果在某一溫度條件下InA-In（A*T2）<0，那么當該溫度變化之后，VOC則會逐漸下降。

根據上述分析可知，在一定溫度范圍之內，隨著溫度的升高單晶硅太陽電池的開路電壓（VOC）會呈現下降趨勢。

2.2 溫度對短路電流的影響

單晶硅太陽電池的工作原理相當于一個二極管特性結控制一個光激發的電流產生器，Z（二極管非線性阻抗）、Rsh（分流電阻）、RS（串聯電阻）這些參量都影響著電流輸出特性及光伏效應。當處于工作負載環境下，輸出電流與電壓關系的公式是：

由公式9可分別得出2組關系，即輸出電流與Rsh、Rs的關系；輸出電壓與Rsh、Rs的關系，公式表示如下：

若處于理想條件時，JSC=Jph，且通常狀態下Jph隨溫度呈上升趨勢，公式表示如：

，A：常數，Ea：光導體激活能（12）

雖然Jph隨溫度呈上升趨勢，不過卻沒有呈指數形式，原因在于光電流流過Rs時會產生一定的壓降，測量短路電流時會在Rsh處流失部分電流，Rsh與Rs對Jph的影響力會因電流的增大而加大，以此壓制Jph的升高。

2.3 溫度對填充因子的影響

根據單晶硅太陽電池的溫度特性可知，溫度對FF（填充因子）的影響在于其隨溫度的升高而降低，究其原因主要是因受制于并聯內阻、串聯內阻的控制，若處于弱光狀態則并聯內阻的影響力會加大。假設n在溫度變化中成恒定狀態，則能得到串聯內阻與溫度的關系，即溫度的升高會引起串聯內阻的增大。根據物理機制可知，在溫度高于室溫時接觸電阻與基區電阻影響力、貢獻力很小可忽略不計，主要影響來自擴散層的薄層電阻，其會因溫度的升高而增加，由此可得填充因子會因串聯內阻的增大而下降。假設理想因子是1，則在這一溫度范圍中填充因子會出現一個最大值，進而推導出填充因子（FF）隨溫度的變化而變化，成反比的影響關系。

2.4 溫度對轉換效率的影響

根據開路電壓（VOC）、短路電流（ISC）、填充因子（FF）的溫度特性值的相對大小及公式（1）可得，溫度對單晶硅太陽電池轉換效率的影響呈反比關系，溫度的升高會引起轉換效率（？濁）的下降。經過實驗測試得出結論，若標準條件下單晶硅太陽電池的工作狀態良好，但實際應用的散熱效果不好時，光強相同，溫度在45℃工作條件下，單晶硅太陽電池效率會下降1.5%，電池效率損失非常嚴重。所以，為保證單晶硅太陽電池的高效率，需要在較低溫度條件下進行，在這一溫度范圍內會各自出現一個最大值與最小值，且變化方向相反，那么太陽電池輸出功率最大的范圍在305K左右。

3 結束語

通過實驗測試，在290-325T（K）范圍內溫度對單晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率會產生一定的影響，這4個參數會因溫度的變化而變化，進而可以得出的結論有：開路電壓會隨溫度的升高而下降，呈反比關系；短路電流會隨溫度的升高而增大，呈正比關系；填充因子會隨溫度的升高而降低，呈反比關系，會出現一個極大值的填充因子；轉換效率會隨溫度的升高而下降，呈反比關系，會出現一個極大值和極小值的轉換功率。

參考文獻

[1]李永超，崔景光.不同折射率對N型單晶硅太陽電池電性能的影響[J].科技風，2011（17）.

[2]李劍，汪義川，李華，等.單晶硅太陽電池組件的熱擊穿[J].太陽能學報，2011，32（5）：690-693.

作者簡介：劉丹娟（1979，9-），女，漢族，湖南岳陽人，新余學院電氣與電子工程學院講師，研究方向：電路與系統，學歷：碩士研究生。