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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多晶硅太阳电池温度系数研究分析20131101.精品文档.成都职业技术学院 毕业论文（设计）论文（设计）题目：多晶硅太阳电池温度系数的分析研究学生姓名： 唐琳 专业班级： 光电1131 学生学号： 11302050103 系 ： 电子系 指导教师： 孟奕峰 2013年9月29日【摘要】近年来，随着世界经济的不断发展，对能源的需求越来越多，不可再生能源面临着枯竭，且不可再生资源产生的污染度非常的高，对环境的影响非常的大，因此新能源开发成为各国政府首要解决的问题。而太阳能由于具有清洁、使用安全、取之不尽、用之不竭，利用成本低且不受地理条件限制等优
2、点，而备受青睐。太阳电池种类繁多，但多晶硅太阳电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，因此本文以多晶硅太阳电池温度系数为对象，分析电压温度系数的变化率和电流温度系数的变化率。【关键词】多晶硅太阳电池 温度系数 电压温度系数 电流温度系数目 录一、引言- 2 -1、太阳电池研究背景- 2 -2.太阳电池的介绍- 2 -2.1太阳电池简介- 3 -2.2多晶硅太阳电池的介绍- 3 -3、太阳电池的类型- 3 -4、太阳电池的基本原理- 4 -5、太阳电池的表征参数- 5 -5.1开路电压- 5 -5.2短路电流- 5 -5.3最大输出功率-
3、 5 -5.4填充因子- 6 -6、本文研究的意义- 6 -二、多晶硅太阳电池温度系数的研究- 6 -1、温度系数含义- 6 -2、温度系数的测试- 6 -2.1测试数据的分析研究- 6 -2.2结果分析- 8 -三、结语- 9 -参考文献- 10 -【正文】一、引言1、太阳电池研究背景随着环境的污染度增高，能源的短缺，石油、煤、天然气等不可再生资源的短缺，现在面临的最大问题就是解决能源问题，能源问题是21世纪人类面临的主要问题之一。目前，全球总能耗的74来自煤、石油、天然气等化石能源。据估计，全球石油和天然气将在未来4060年间枯竭，煤的开采年限也只有200年，寻求新的可再生能源将成为人类最
4、紧迫的任务之一；另一方面，使用化石能源所产生的温室气体和其它有害物质排放也日益威胁人类的正常生存。1997年150多个国家签署的京都议定书2要求世界各国改变能源利用方式，从煤和石油逐渐转化为可再生能源，减少温室气体排放，彻底改变人类社会发展与能源短缺、环境污染之间的矛盾。因此，开发可再生的清洁能源成为国际范围内的重大战略问题之一，光伏太阳能电池发电是新能源的重要研究方向之一。照射在地球上的太阳能非常巨大，每3d太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和；大约四十分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类1a能量的消费，是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳能电池可将太阳能直接转化成
5、电能供人类使用，是利用太阳能资源的有效方式，在使用中不会产生任何有害物质，是一种无污染的产品。另外太阳能电池还具有系统运行可靠，长寿命，安装使用方便等优点，所以，太阳能电池在解决能源与环境问题方面倍受青睐，是一种有着极好市场前景的产品，被誉为是理想的能源。太阳电池的应用领域十分广泛，大体可分为如下：（1）用户太阳能电源；（2）交通领域；（3）通讯/通信领域；（4）石油、海洋、气象领域；（5）家庭灯具电源；（6）光伏电站；（7）太阳能建筑。2.太阳电池的介绍2.1太阳电池简介太阳电池是用半导体硅硒等材料将太阳的光能变成电能的器件。具有可靠性高寿命长无污染等优点可做人造卫星航标灯晶体管收音机等的电
6、源。太阳电池发电是根据爱因斯坦的光电效应而运用于日常生活。黑体(太阳)辐射出不同波长(频率)的电磁波，如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生
7、光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅太阳电池的效率为25.0%，多晶硅太阳电池的效率为20.4%，单晶体硅薄膜太阳电池的效率为16.7%，非晶硅薄膜太阳电池的效率为10.1%。2.2多晶硅太阳电池的介绍多晶硅太阳电池英文名称：polycrystalline silicon solar cell，即以多晶硅为基体材料的太阳电池。多晶硅太阳电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄
8、膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，没有明显效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。利用价值：从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。3、太阳电池的类型太阳电池以半导体材料为媒介，实现了光能与电能的直接转换。光伏太阳电池的研究，
9、是以量子力学和半导体物理学为基础，从理论计算、材料表针到电学特性等方面入手，不断创新和完善的过程，硅作为一种蕴藏丰富、无毒害的半导体材料，在商用太阳能电池领域得以光泛应用。硅太阳电池以及硅材料的特性与原理，仍是当前科研的重点3。太阳电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶型。根据所用材料的不同，太阳电池还可以分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳能电池，其中硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中主导地位。4、太阳电池的基本原理太阳电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的
10、光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳光伏4（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。太阳电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件，能产生光伏效应的材料有许多种，如：硅系材料(单晶硅、多晶硅、非晶硅)，化合物半导体(砷化镓、硒铟铜)等。它们的发电原理基本相同。此类太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光生伏打效应5。当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就形成了P-N结；由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流
11、子反向漂移；达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等如果光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度，则在P-N结附近将产生电子空穴对由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有“光生电流”通过，得到可利用的电能，这就是太阳电池发电的基本原理（如图1所示）。若把几十个、数百个太阳电池单体串联、并联起来，组成太阳电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。图1太阳电池的发电原理5、太阳电池的表征参数太阳电池的表征参数是衡量太阳电池的性能好坏的标志，其参数主要有开路电压，短路电
12、流，最大输出功率，填充因子。其中填充因子是衡量太阳能电池输出特性的重要指标。 5.1开路电压开路电压英文名：Open-circuit Voltage即在一定的温度和幅照度条件下，太阳电池在开路情况下的电压称为开路电压，开路电压用UOC表示。太阳电池的开路电压与电池的面积无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压为450mV600mV，最高可达690mV，多晶硅太阳电池的开路电压要略小些，太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。 5.2短路电流短路电流英文名：Short-circuit current即在一定的温度和幅照度条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流称为短路电流，短路电流用Isc表示
13、。当V=0时，ISC=IL，IL为光生电流，正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度，1cm2光伏电池的IL值均为1630mA，环境温度的升高，IL值也会略有上升，一般来讲温度每升高1，IL值上升78uA。 5.3最大输出功率在I-V曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Um的乘积为最大。即Pm=ImUm则称M点为该太阳电池的最佳工作点（或最大功率点），Im为最佳工作电流，Um为最佳工作电压，Pm为最大输出功率。5.4填充因子6填充因子是表针太阳电池性能优劣的一个重要参数，定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，用FF表示。即FF=ImVm/ISCVOC，填充因子是表征太阳
14、能电池优劣的重要参数之一。填充因子越大，太阳电池性能就越好，优质太阳电池的FF可高达0.8以上。6、本文研究的意义本文研究多晶硅太阳电池性能受温度的影响，而温度系数是表征温度对多晶硅太阳电池的重要参考数据，温度系数以电压温度系数、电流温度系数为研究对象，测试在不同温度下的电流、电压值，总结温度对太阳电池的影响。二、多晶硅太阳电池温度系数的研究温度系数是反映多晶硅太阳电池性能的重要参数，电压温度系数、电流温度系数为研究对象，以实验的形式测试多晶硅太阳电池在不同温度下的电流、电压，并分析电压、电流的温度系数。1、温度系数含义温度系数是材料的物理属性随着温度变化而变化的速率。材料的部分属性会随着温度
15、变化而发生变化，如电阻温度系数、电压温度系数、导热率温度系数、密度温度系数等。温度系数一般可以通过实际试验测出。2、温度系数的测试2.1测试数据的分析研究（1）多晶硅太阳电池在相同幅照度下的电压、电流随温度变化在不同温度下数据测试，测试数据如表1所示：表1多晶硅太阳电池在不同温度下的电压、电流数据测试温度253035404550电压(V)0.320.300.280.260.220.22电流(A)0.550.680.700.800.910.98由表1分析得：在室温25到50这个区间多晶硅太阳电池的电压随着温度的升高而减小，减小到一定程度就不在变化，电流随着温度的升高而增大。电池能够产生的最大功率
16、Pm出现在最大电流Im和电压Vm点（即为在温度50时，最大电流Im为0.98A，最大电压为0.22V）曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。根据表1数据可以求得多晶硅太阳电池的最大功率大概为0.22W，但一般一块多晶硅太阳电池的最大功率大概为4.5W，由于我做实验的时候只测试一块多晶硅太阳电池串联的20%，因此得到的最大功率与规定的不一样。（2）根据表1的测试数据画出多晶硅太阳电池在不同温度下电压，电流随温度的变化趋势图，如图2、3所示：图2 多晶硅太阳电池电压随温度变化曲线图由图2分析得出：由室温25到50这个区间，温度每升高5时，电压就降低0.2V，降低速率比较快，当温度
17、升高到45时，多晶硅太阳电池的电压趋于开始趋于稳定，大约稳定在0.22V左右。图3 多晶硅太阳电池电流随温度变化曲线图由图3曲线变化情况可以得到：由室温25到50这个区间，温度每升高5时，电流就升高0.1A左右，增大速率比较快，当温度升高到45时，电流增大的速率就变得缓慢。总结：因为温度升高，太阳能电池禁带宽度变窄，所以开路电压下降，因为禁带宽度变窄的同时会有更多电子可以从价带跃迁到导带，所以短路电流升高，根据图2、图3的电压、电流随温度变化的曲线图来看，实验测试的结果与理论一致。2.2结果分析（1）温度对太阳电池的影响7：主要有三个方面，第一个方面：表现为温度与开路电压的关系，决定开路电压大
18、小的是半导体的禁带宽度和费米能级，由于温度越高，其费米能级越靠近价带，所以温度越高其开路电压越小，也就是说，温度开路电压二者的曲线大概是一条斜率为负值的直线，这条斜率为负的直线称为多晶硅太阳电池的电压温度系数。第二个方面：温度与短路电流的关系，温度与短路电流的关系是温度越高短路电流越大，但是需要注意的是这里短路电流升高的趋势要小于上面第一条中开路电压下降的趋势，也就是说温度短路电流二者的曲线是一条斜率略微为正值的直线，这条斜率为正的直线称为多晶硅太阳电池的电流温度系数，第三个方面：温度与输出功率的关系因为温度升高的时候开路电压下降很厉害，其幅度比短路电流升高的幅度要大，所以在温度升高的时候其总
19、输出功率是下降的，因为P=UI，U下降的厉害，而I上升的幅度很小。当然，这是指在一定温度的范围内。（2）光强对多晶硅太阳电池的影响8： Isc、Uoc随着光强的减小而降低，其中变化Isc尤为显著。（3）由表1和图2、图3计算出多晶硅太阳电池的电压温度系数和电流温度系数（在30到35之间）：取点为温度在30和35的这两个点的数据计算。电压温度系数=-0.004（在30到35之间） 电流温度系数=0.012（在30到35之间）三、结语根据这次多晶硅太阳电池的电压、电流在不同温度下的数据测试，我们可以知道多晶硅太阳电池的电压随着温度的升高而降低，电流随着温度的升高而升高，因为温度升高，太阳能电池禁带
20、宽度变窄，所以开路电压下降，禁带宽度变窄的同时会有更多电子可以从价带跃迁到导带，所以短路电流升高，温度对开路电压影响较明显，对短路电流影响较小，所以总体上温度升高，电池功率下降。由曲线（温度在室温25到45之间）图可知，随着温度升高，短路电流Isc近似线性的上升，开路电压Uoc近似线性的下降，在室温25到45之间，短路电流上升速率快，开路电压下降速率快，在45到50之间，短路电流上升缓慢，开路电压开始趋于稳定保持不变的状态。参考文献1.太阳能学报2012年09期 云南师范大学太阳能研究所2.京都议定书（英文：Kyoto Protocol，又译京都协议书、京都条约；全称联合国气候变化框架公约的京
21、都议定书）是联合国气候变化框架公约（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）的补充条款。3.Martin A.Green硅太阳能电池高级原理与实践译者序 出版社：上海交通大学出版社。4.太阳能电池培训手册中国电池论坛5.周志敏、纪爱华太阳能光伏发电系统设计与应用实例第3页 出版社：电子工业出版社2012年7月第3次印刷6. 7.郑军 光伏电池制造工艺及应用第200页 出版社：高等教育出版社，2011年。8.郑军 光伏电池制造工艺及应用第200页 出版社：高等教育出版社，2011年。致谢本课题在选题及研究过程中得到孟奕峰老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，孟老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此向孟老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意，谢谢。