1、非晶硅太陽(yáng)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(zhuān)家認(rèn)為薄膜電池是太陽(yáng)電池的發(fā)展方向，但是，非晶硅電池產(chǎn)業(yè)為什么沒(méi)有人們預(yù)想的發(fā)展速度呢？讓我們從以下幾方面進(jìn)行分析，使人們對(duì)非晶硅電池更加了解。關(guān)鍵詞：光伏會(huì)議；光致衰退；特性；吸收系數(shù)。前言國(guó)內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的形勢(shì)是盡人皆知的，見(jiàn)表1、圖11。到目前為止，太陽(yáng)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(shí)間不會(huì)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

2、耗不足晶硅電池的1/200，所以，近幾年的產(chǎn)量可能會(huì)有大的增長(zhǎng)。表1.近十年世界太陽(yáng)電池產(chǎn)量及增長(zhǎng)率年份世界總產(chǎn)量年增長(zhǎng)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2001年520.15MW33.22003年744.3MW43.12004年2001年1256MW66.72005年2001年1656MW31.8圖1. 2004年各類(lèi)太陽(yáng)電池的生產(chǎn)量 2004年各類(lèi)太陽(yáng)電池生產(chǎn)總量達(dá)到1256MW。其中：多晶硅703MW，單晶硅36

3、4MW，非晶硅49MW，非晶硅/單晶硅63MW，帶硅38 MW，碲化鎘13.8MW，銅銦鎵硒3.8MW1。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(zhuān)家都認(rèn)為薄膜電池是太陽(yáng)電池的發(fā)展方向，而且，潛力大，優(yōu)勢(shì)明顯，性?xún)r(jià)比高。但是，非晶硅電池為什么沒(méi)有預(yù)想的快呢？我們認(rèn)為，有一些問(wèn)題尚需進(jìn)一步討論，以便對(duì)非晶硅電池有一個(gè)統(tǒng)一、較清楚的認(rèn)識(shí)。一非晶硅材料的S-W效應(yīng)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(yáng)電池的本征層是非晶硅材料，所

4、以，非晶硅太陽(yáng)電池也會(huì)受S-W效應(yīng)的影響。“非晶硅太陽(yáng)電池的早期衰退” 是科研人員多年研究的課題。不是影響用戶(hù)使用，更不是用戶(hù)擔(dān)心的問(wèn)題。在此，本文進(jìn)行一點(diǎn)說(shuō)明，以求得共識(shí)。非晶硅太陽(yáng)電池的早期衰退機(jī)理從材料結(jié)構(gòu)上說(shuō)，非晶硅與同質(zhì)晶體有相同的配位數(shù)，但鍵長(zhǎng)和鍵角略有改變。描述非晶結(jié)構(gòu)的連續(xù)無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型認(rèn)為，非晶硅就是由這樣一些稍被扭曲的單元隨機(jī)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12個(gè)原子范圍內(nèi)。由于無(wú)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(yùn)。使非晶硅電池的效率降低。非晶硅中的空洞為弱

5、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?yàn)槿蹑I乃是由同一空位或微空洞中的兩個(gè)相鄰懸掛鍵配對(duì)而成的。在長(zhǎng)時(shí)間光照下，非晶硅太陽(yáng)電池中會(huì)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(gè)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(zhǔn)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(chǎng)區(qū)或無(wú)場(chǎng)區(qū)增加456造成了光生載流子的復(fù)合增大，從而出現(xiàn)人們常說(shuō)的“非晶硅太陽(yáng)電池的早期衰退”。非晶硅太陽(yáng)電池的早期衰退到底有多大？非晶硅太陽(yáng)電池的早期衰退量根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)和制造電池時(shí)的工藝條件的不同而產(chǎn)生差異。對(duì)此，許多單位和專(zhuān)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，

6、結(jié)論是：a. 非晶硅太陽(yáng)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(gè)月1年），電池衰退經(jīng)歷時(shí)間的長(zhǎng)短與太陽(yáng)電池的使用環(huán)境有關(guān)。b. 一般來(lái)說(shuō)，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(yáng)電池出售時(shí)，銷(xiāo)售方已經(jīng)予以扣除，按照穩(wěn)定功率計(jì)價(jià)）。二非晶硅太陽(yáng)電池為什么比晶硅電池發(fā)電多？ 對(duì)于同樣功率的太陽(yáng)電池陣列，非晶硅太陽(yáng)電池比單晶硅、多晶硅電池發(fā)電要多。這已經(jīng)被美國(guó)的Uni-Solar System LLC、Energy Photovoltaic Corp.、日本的Kaneka Corp.、荷蘭能源研究所以及其他的光伏界組織和專(zhuān)家證實(shí)了789。對(duì)此，提出以下解釋

7、，不一定確切，僅供參考。1. 非晶硅太陽(yáng)電池比單晶硅、多晶硅電池具有相對(duì)小的溫度系數(shù)非晶硅太陽(yáng)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(dāng)電池的工作溫度升高時(shí)，兩種電池都會(huì)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(jìn)行計(jì)算。Pmeffec.= Pm×1+a（T -25） 其中：Pmeffec.-為電池組件在T溫度工作時(shí)（AM1.5，1000瓦/平方米）的最大輸出功率；Pm -為電池組件在25，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(lái)說(shuō)，

8、如果兩種電池組件都在60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(shuō)，如果兩種電池的Pm都是1000瓦，它們都在60下工作，這時(shí)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(dāng)于多發(fā)電13.2%。2非晶硅電池的IV特性在超過(guò)Vm以后隨電壓下降緩慢為了比較方便，我們把兩種電池的IV特性畫(huà)在同一張圖上。晶硅電池和非晶硅電池的IV特性一般形狀如圖2所示。圖2. 兩種電池的IV特性從圖中我們看到

9、，兩種電池在超過(guò)最大輸出功率點(diǎn)后曲線(xiàn)變化差距較大。晶硅電池的輸出電流在超過(guò)最大輸出功率點(diǎn)后會(huì)很快下降到零，曲線(xiàn)陡直；而非晶硅電池的輸出電流經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的距離后才下降到零，曲線(xiàn)較為平緩。兩種電池的Vm分別大約相當(dāng)于其開(kāi)路電壓的83%和74%。例如：成都市新奇特?zé)艟邚S的晶硅太陽(yáng)電池組件的參數(shù)表如表2。它們的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)

10、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(jiàn)表3。表2. 晶硅、非晶硅太陽(yáng)電池電參數(shù)表型號(hào)PmVmImVocIscXQT-5-12517.30.2921.000.34XQT-10-121017.50.5721.000.68XQT-20-122017.51.1521.001.35XQT-40-124017.52.2521.002.70JNDC-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(lèi)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

11、電壓（Vxu）12伏36伏Voc- Vxu9伏24.2伏當(dāng)光強(qiáng)逐漸變小時(shí)，太陽(yáng)電池的短路電流和開(kāi)路電壓都會(huì)隨之強(qiáng)降低。當(dāng)然，短路電流減小得比較快，開(kāi)路電壓降低得比較慢。在蓄電池做太陽(yáng)電池陣列負(fù)載的情況下，當(dāng)太陽(yáng)電池陣列的有效輸出電壓小于蓄電池的端電壓時(shí)，蓄電池就不能夠被充電。從表中可以看到，非晶硅電池的開(kāi)路電壓與作為負(fù)載的蓄電池端電壓之差為24.2伏，晶硅電池的開(kāi)路電壓與蓄電池端電壓之差為9伏。當(dāng)光強(qiáng)逐漸變小時(shí)，晶硅電池先不滿(mǎn)足充電條件，而非晶硅電池由于較大的電壓差，到光線(xiàn)很暗時(shí)才不充電，有效的增加了利用太陽(yáng)光的時(shí)間。所以，非晶硅電池會(huì)比晶硅電池多產(chǎn)生一些電力。關(guān)于這一點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到

12、證實(shí)。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(yáng)沙情況下仍能啟動(dòng)水泵抽水，使當(dāng)?shù)赜脩?hù)感到很意外，就是上面的原因造成的。三非晶硅太陽(yáng)電池低光強(qiáng)下的光、電性能分析由于非晶硅材料原子排列無(wú)序的特點(diǎn)，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(xiàn)如圖3所示。 圖3. 非晶硅和單晶硅材料的吸收曲線(xiàn)非晶硅的吸收曲線(xiàn)具有明顯的三段（A、B、C）特征。A區(qū)對(duì)應(yīng)電子在定域態(tài)間的躍遷，如費(fèi)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110cm-1，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(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶邊擴(kuò)

13、展態(tài)到導(dǎo)帶定域態(tài)的躍遷，以及電子從價(jià)帶尾定域態(tài)向?qū)н厰U(kuò)展態(tài)的躍遷，該區(qū)的能量范圍通常只有半個(gè)電子伏特左右，但吸收系數(shù)通常跨越兩三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到104cm-1；C區(qū)對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)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(gè)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(xiàn)的交點(diǎn)約在1.8ev左右。值得注意的是，在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)（1.73.0ev），非晶硅材料的吸收系數(shù)幾乎都比單晶硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說(shuō)，在陽(yáng)光不太強(qiáng)的上午前半部、下午后半部、以及多云等低光強(qiáng)、長(zhǎng)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

14、和電流I0較小。以及如前所述的非晶硅電池IV特性曲線(xiàn)方面的特點(diǎn)，使得非晶硅太陽(yáng)電池?zé)o論在理論上和實(shí)際使用中都對(duì)低光強(qiáng)有較好的適應(yīng)。四使用非晶硅太陽(yáng)電池時(shí)應(yīng)注意什么？1. 由于消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)非晶硅太陽(yáng)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(gòu)買(mǎi)時(shí)承諾的多10%以上。例如：購(gòu)買(mǎi)雙結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池40瓦，剛安裝時(shí)的發(fā)電功率為47瓦。在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)配置以及使用時(shí)應(yīng)予以考慮。 2. 由于非晶硅太陽(yáng)電池IV特性的特點(diǎn)以及相對(duì)小的溫度系數(shù)，發(fā)電較多，可以適當(dāng)考慮將太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)適當(dāng)右移，并減少購(gòu)買(mǎi)量，節(jié)省資金。3. 由于非晶硅太陽(yáng)電池對(duì)低光強(qiáng)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

15、用非晶硅太陽(yáng)電池。 五結(jié)論1鑒于非晶硅材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，太陽(yáng)電池會(huì)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(shí)間長(zhǎng)短與太陽(yáng)電池的使用環(huán)境有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，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(yáng)電池出售時(shí)，銷(xiāo)售方已經(jīng)予以扣除，即按照穩(wěn)定功率計(jì)價(jià)）。2由于非晶硅太陽(yáng)電池IV特性方面的特點(diǎn)以及相對(duì)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(jì)系統(tǒng)時(shí)，可適當(dāng)考慮將太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)右移。3. 由于非晶硅太陽(yáng)電池對(duì)低光強(qiáng)有較好的適應(yīng)，所以，在開(kāi)發(fā)利用非晶硅太陽(yáng)電池時(shí)，應(yīng)予以適當(dāng)關(guān)注。參考文獻(xiàn)：1. 耿新華，“硅薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景”，

16、華基講演稿，2006-5-82. 陳治明，“非晶半導(dǎo)體材料與器件”，科學(xué)出版社，1991，P231-238。 3. Guha and Jeffrey Yang，Science and Technology of Amorphous Silicon Alloy Photovoltaics，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。5 N.Nakamura 等The Light Induced Effect of A-Si Films and Solar Cell, ICSWEA （中國(guó)），（1985）。6. S.Tsuda等，“Light-Induced Instability of Amorphous Silicon Photovoltaic Cell”, SOLAR CELL,9(1983)25-36。7. 引自美國(guó)Bekaert ECD Solar System LLC