姚元鑫，郄毅鵬，董莉，程保義

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

柔性薄膜太陽電池溫度系數(shù)初探

姚元鑫，郄毅鵬，董莉，程保義

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

影響電池功率輸出的因素有很多，例如溫度，由于工作環(huán)境的溫度不同，其電壓、電流、功率也不同，電池在極端溫度下工作狀態(tài)能否達(dá)到要求，需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行預(yù)算，因此溫度系數(shù)這一電池特性就顯得尤為重要。通過一組實(shí)驗(yàn)，在不同的溫度下對柔性薄膜太陽電池進(jìn)行電性能測試，得到樣品電池在不同溫度下的I-V曲線以及各項(xiàng)參數(shù)。結(jié)果表明，電池隨著溫度的升高，開路電壓降低，短路電流升高，最大功率降低。

柔性薄膜電池；電性能測試；溫度系數(shù)

太陽能作為一種豐富、清潔、安全的新能源，引起了許多國家的關(guān)注和研究。柔性薄膜太陽電池作為一種新型太陽電池，具有可彎折、不易破碎、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來越多的研究者。其中非晶硅柔性電池的造價(jià)比其他薄膜電池更低，在一些國家被廣泛地應(yīng)用，可安裝在汽車的頂部、房屋等建筑物外表面、平流層飛艇表面，圖1展示了薄膜電池的部分應(yīng)用。由于工作環(huán)境溫度的不同，電池的開路電壓、短路電流、輸出功率也不同，所以需要溫度系數(shù)來推算電池在應(yīng)用中是否能達(dá)到要求。

現(xiàn)今大多數(shù)研究集中在薄膜電池的開發(fā)，而對于溫度系數(shù)測量的研究很少。本文通過一組實(shí)驗(yàn)，利用溫度系數(shù)測試儀對樣品柔性薄膜電池在不同溫度下進(jìn)行電性能測試，得到了開路電壓、短路電流隨溫度的變化關(guān)系，并計(jì)算了該樣品電池的溫度系數(shù)，為今后該類型柔性薄膜電池的電性能測試及工程應(yīng)用提供有效的依據(jù)。

圖1 薄膜電池的應(yīng)用

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為兩片聚合物基底單結(jié)非晶硅柔性太陽電池，尺寸8 cm×8 cm。表1所示為樣品電池標(biāo)準(zhǔn)條件下的參數(shù)值。將樣品電池粘貼在粘有聚酰亞胺薄膜的銅板上，將銅板固定在溫控臺(tái)上，用導(dǎo)線將負(fù)載與樣品電池連接好。熱敏電阻分別粘在電池兩側(cè)的聚酰亞胺膜上，并引出導(dǎo)線與數(shù)顯溫度計(jì)連接，用于實(shí)時(shí)觀測銅板的溫度，便于測試人員掌控測試溫度，如圖2所示。

表1 樣品電池標(biāo)準(zhǔn)條件下參數(shù)值

圖2 溫度系數(shù)測試儀

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用溫度系數(shù)測試儀，它由工作腔體、冷熱工作臺(tái)、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)六部分構(gòu)成。圖2(a)為溫度系數(shù)測試儀，圖3為溫度系數(shù)測試儀的原理圖，圖4為冷熱工作臺(tái)的原理圖。

圖3 溫度系數(shù)測試儀原理圖

圖4 冷熱工作臺(tái)原理圖

低溫測試中，電池表面會(huì)結(jié)霜，本次使用的溫度系數(shù)測試儀新加入分子泵，先由機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，再由分子泵進(jìn)行抽真空，工作真空為5×10－3Pa。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

開啟溫度系數(shù)測試儀，電池保存在恒溫25℃的除濕柜中，25℃作為初始溫度[1]。

實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段，其流程如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

樣品1與樣品2實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，以樣品1為例對結(jié)果進(jìn)行說明。由于溫度測試點(diǎn)較多，所以在75℃降溫到－45℃這一過程中，從樣品1中挑選5個(gè)溫度測試點(diǎn)的I-V曲線組合在一起，如圖6所示。從圖6中可以看出，樣品電池1在最高溫度時(shí)，短路電流最大而開路電壓最小，而在最低溫度時(shí)，短路電流最小而開路電壓最大。從75℃降溫到－45℃這個(gè)過程中，樣品1的短路電流隨著溫度的降低而減小，而開路電壓隨著溫度的降低而增大。

圖6 I-V曲線測試圖

圖7sc、oc、max隨溫度變化的曲線

上述得到的系數(shù)是經(jīng)過取平均處理后得到的，電池的溫度系數(shù)應(yīng)該是某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，觀察測得的數(shù)據(jù)，得到這一類型電池溫度系數(shù)的變化范圍。為去除面積對電池的電流和最大功率的影響，將電池溫度系數(shù)以百分比的形式表示出來：

（1）隨著電池溫度的升高，功率降低，每升高1℃降低0.2%～0.25%；

（2）隨著電池溫度的升高，電壓降低，每升高1℃降低0.26%～0.29%；

（3）隨著電池溫度的升高，電流升高，每升高1℃升高0.5%～0.78%。

通常半導(dǎo)體的禁帶寬度隨著溫度升高而降低，使得光的吸收隨之增加，所以電流隨著溫度的升高而增加；溫度升高禁帶寬度降低，導(dǎo)致勢壘高度也降低，所以開路電壓也隨著溫度的升高而降低；電流的變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓的變化率，所以功率也隨著溫度的升高而降低。

2.2 誤差分析

可能造成本實(shí)驗(yàn)過程中電池測試誤差的因素有：光源，溫度的控制以及測試環(huán)境。

（1）光源：本次實(shí)驗(yàn)所用的太陽模擬器為A級太陽模擬器，光源是穩(wěn)態(tài)光源，其不穩(wěn)定性和均勻性均在±1%以內(nèi)。但是光源的不穩(wěn)定性和不均勻性依然會(huì)對電池電性能測試造成不可避免的誤差。

（2）溫度的控制：控制溫度是本次實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。升溫和降溫的過程均是緩慢進(jìn)行，當(dāng)數(shù)顯溫度計(jì)顯示測試點(diǎn)溫度并穩(wěn)定后，進(jìn)行電池電性能測試。

（3）測試環(huán)境：通過將玻璃罩罩在溫控臺(tái)上，并抽真空，可以避免低溫測試時(shí)電池表面結(jié)霜，避免不必要的測試誤差。

3 結(jié)論

本文通過對同類型同尺寸的柔性薄膜非晶硅太陽電池進(jìn)行溫度系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)，得出非晶硅薄膜太陽電池輸出電性能隨溫度的變化曲線，結(jié)論如下：隨著電池溫度的升高，功率降低，電壓降低，電流升高；溫度每升高1℃，功率降低0.2%～ 0.25%，電壓降低0.26%～0.29%，電流升高0.5%～0.78%。

本文通過實(shí)驗(yàn)測試，獲得了柔性非晶硅薄膜太陽電池溫度系數(shù)，為今后該類型柔性薄膜電池的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

[1]孫征，徐壽巖.創(chuàng)建控件環(huán)境下GaAs/Ge太陽電池光伏特性數(shù)據(jù)庫[C]//中國宇航學(xué)會(huì)空間能源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.天津：中國宇航學(xué)會(huì)空間能源專業(yè)委員會(huì)，2002：105-109.

Study on temperature coefficient of Flexible thin film solar cell

YAO Yuan-xin,QIE Yi-peng,DONG Li,CHENG Bao-yi

The cell power output could be affected bymany factors such as the temperature.The voltage,current and capacity were different due to the different environment temperature.When the cell work at extreme temperature,its output power whether could reach at the requirement that need calculate during the circuit designing.So the temperature coefficient was very important.The sample cells were tested in diffident temperature.The I-V curve and various parameters could be given.The results show that when the temperature of the sample thin film solar cell is increasing,theVoc will decrease and the Isc will increase.

flexible thin film solar cell;electrical testing;temperature coefficient

TM 914

A

1002-087 X(2014)10-1831-02

2014-04-15

姚元鑫(1986—)，男，黑龍江省人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘栯姵亍?/p>