■ 于佳禾 許盛之* 韓樹偉 李曉波 譚暢 余操 劉姿

（1.南開大學光電子薄膜器件與技術研究所；2. 天津市光電子薄膜器件與技術重點實驗室；3.中國三峽新能源有限公司；4.華北電力大學）

0 引言

太陽能是綠色環(huán)保的可再生能源，光伏發(fā)電在未來能源供給中將占有重要地位。據國際能源署預測，到2050年，全球光伏系統(tǒng)輸出功率約4.68 TWp，預計產能6.5 PWh/年，約占全球電力能源的16%；2050年以后光伏系統(tǒng)規(guī)模將達到23 TWp，預計產能30 PWh/年；到2070年達到31 TWp，產能約為41 PWh/年，將解決全球28%的基礎用電。為提高光伏發(fā)電的效率，一方面應從基礎的材料特性優(yōu)化、新的光電轉換材料、器件結構等方面進行深入的研究；另一方面，研究太陽電池在實際應用環(huán)境中的特性也非常重要。后者的結論可用于指導改進太陽電池的制造工藝，以及用于光伏組件的結構優(yōu)化等，從而改善實際環(huán)境中光伏發(fā)電的效率[1-4]。光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中把光能轉換為電能的部件，其光電轉換效率是決定光伏發(fā)電效率的主要因素。光伏組件主要由玻璃蓋板、太陽電池片、EVA及背板等構成。以晶體硅組件為例，雖然理論上晶體硅太陽電池的光電轉換效率極限接近30%，但實際上晶體硅組件的轉換效率只有20%左右。也就是說，組件僅將吸收的太陽能的少部分轉化為電能加以利用，而其余大部分的能量則轉化為熱能被浪費，且熱能不能完全散失，反而會導致光伏組件的溫度升高，對組件的發(fā)電效率產生不利影響。對于其他材料的太陽電池或光伏組件也得出了類似的結論[5-8]。本文對比分析了不同類型太陽電池和光伏組件的溫度特性、溫度性能的判定方式和測量標準，可為電池工藝優(yōu)化、光伏發(fā)電的發(fā)電量計算等提供參考；并分析了幾種可用于光伏系統(tǒng)的降溫冷卻技術，從應用的角度討論如何降低熱學因素給光伏組件帶來的影響。

1 溫度對發(fā)電性能的影響

各種太陽電池在溫度特性方面的總體變化趨勢相同，電池的開路電壓、填充因子隨溫度升高明顯下降；短路電流隨溫度升高有所上升；而發(fā)電效率受開路電壓影響較大，總體呈下降的趨勢。

衡量溫度與太陽電池各個電學參數之間的聯(lián)系主要用溫度系數來表示。在ASTM E 1036-2002《使用標準電池的非聚能地面光電模件和陣列電氣性能的標準試驗方法》中規(guī)定了溫度系數的測量方式。通過研究太陽電池的溫度系數可定量分析不同材質電池受溫度變化而表現(xiàn)出的性能差異。

1.1 多種太陽電池的溫度系數

文獻[5, 8]在STC標準下測定了太陽電池的溫度系數，該標準中規(guī)定測試電池時的參考太陽輻照度為1000 W/m2，大氣質量為AM 1.5，環(huán)境溫度為25 ℃；文獻[6]采用NOCT測試環(huán)境，即光照強度為800 W/m2，環(huán)境溫度20 ℃，測試結果如表1所示。由表1可知，晶體硅電池和非晶硅電池在特定環(huán)境下所表現(xiàn)出的差異十分明顯。如文獻[9]所述，溫度變化范圍在-3.15～66.85 ℃時，單晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池的轉換效率溫度變化率分別為-0.176 %/℃和-0.08%/℃。

1.2 溫度特性的原理分析

從微觀角度分析，溫度升高時，帶隙寬度降低，使得更多的光子可以激發(fā)電子躍遷，從而短路電流提高。此外，聲子能量隨溫度升高增加，促進了光子的二級吸收[10]，也對短路電流的增加有一定貢獻。而開路電壓和填充因子與復合載流子遷移率等有關，隨著溫度的升高，載流子遷移率減小，復合系數增大，這些因素導致電池短路電流和填充因子隨溫度升高而減小。轉換效率是由短路電流密度、開路電壓和填充因子共同決定的，短路電流密度的增大彌補不了開路電壓和填充因子的減小對轉換效率的影響。溫度對開路電壓和填充因子的影響大于其對短路電流密度的影響。因此，隨著溫度的升高，太陽電池轉換效率降低[8,10]。

表1 不同種類太陽電池的溫度特性總結

對于晶體硅電池而言，單晶硅和多晶硅材料的太陽電池隨溫度變化規(guī)律大致相似，但數值有所差別，特別是短路電流差別明顯。相對于單晶硅材料，多晶硅材料本身具有更多的晶界和位錯等缺陷，復合中心的數目大量增加，光生載流子復合損失加重，暗電流增大。這使多晶硅電池的短路電流密度明顯降低。同時，多晶硅電池的反向飽和電流隨溫度變化較為明顯，開路電壓受溫度影響較大。改善多晶硅的純度，可以提高多晶硅太陽電池的性能，降低溫度變化所帶來的負面影響[11]。

硅薄膜太陽電池的光學特性受溫度影響主要歸因于半導體的介電常數與窄帶效應的相互作用。此種電池的電學特性受溫度影響的原因與晶體硅電池相似[12]。文獻[12]從光學角度和電學角度分別作了實驗，結果顯示：1)從光學角度分析，當波長λ＜800 nm時，溫度對吸收光譜的影響很?。划敳ㄩLλ＞800 nm時，吸收光譜隨著溫度的增加而增加。2)從電學角度分析，電池的短路電流密度隨溫度的升高而略有增強，開路電壓、填充因子和轉換效率均隨溫度升高而降低。

通過對不同類型太陽電池溫度系數的比較可以發(fā)現(xiàn)，非硅薄膜電池的溫度特性明顯優(yōu)于晶體硅電池。主要是因為溫度升高時，非晶硅材料的禁帶寬度降低，電池吸收光譜的峰值發(fā)生紅移，一定程度上弱化了對電池轉換效率的不利影響[9]。另一方面，在制備時的熱退火處理方式使非晶硅電池在一定的高溫下具有較好的輸出特性[13]，溫度系數約為晶體硅電池的2/3[14]。Makrides等[15]在賽歐魯斯地區(qū)對非晶硅電池這一特性進行了為期4年的測試，結果顯示，由于熱退火效應，非晶硅太陽電池的產能甚至可以提高8.4%。

2 溫度均勻性對光伏組件性能的影響

2.1 光伏組件表面溫度差異

同種材料的太陽電池在不同環(huán)境因素下也表現(xiàn)出性能差異，即使同一光伏組件中的太陽電池片的溫度也具有一定的差異，組件表面溫度差異的原因有很多種。

1)由于灰塵、樹葉等雜質對組件的局部遮擋阻礙了該遮擋面積下的電池片散熱而導致局部溫度升高，造成“熱斑效應”。熱斑效應不僅影響受遮擋部分電池的溫度，同樣也會使該片電池所在支路的其他電池片受到同樣的損害。通過改善電池的排布，增加支路二極管數量可有效改善熱斑效應對于整個組件的影響，提高其使用壽命。

2)由于組件自身遭到破壞或存在缺陷而出現(xiàn)孔洞，繼而產生了邊緣分流，以及非晶硅電池特有的傳導侵入等現(xiàn)象[16]。邊緣分流是由于電池片邊緣未能做到良好的絕緣，與其他區(qū)域接觸造成了邊緣短路，這一現(xiàn)象使得接觸其他區(qū)域的邊緣產生局部過熱；而孔洞的出現(xiàn)會使電池片在孔洞周圍形成熱斑。傳導侵入現(xiàn)象來自于接觸裝置，導電材料的穿透結構可能會發(fā)生薄膜層內不同位置的直接接觸。如果這種直接接觸停留在電池電極之間，就會短路。如文獻[16]中，多晶硅電池表面孔洞區(qū)域與周圍區(qū)域的溫差約為1.5 ℃。溫度分布如圖1所示，紅色中心區(qū)域為發(fā)生邊緣短路的部分。單晶硅電池受這種影響更甚，溫度差異更大。而非晶硅電池的傳導侵入現(xiàn)象卻使孔洞與周圍區(qū)域溫差約為1.4 ℃，低于晶體硅電池，溫度分布如圖2所示。

圖1 邊緣分流作用下多晶硅電池的溫度分布[16]

圖2 非晶硅電池受傳導侵入影響的溫度分布[16]

除上述原因之外，電池本身在正常工作環(huán)境下也存在溫度不均的現(xiàn)象，但電池自身各個區(qū)域的溫差較環(huán)境影響下的溫度變化而言并不明顯[17]。文獻[18]利用ANSYS軟件對光伏組件溫度擴散進行仿真(電池層依次為：玻璃-EVA-硅薄膜-TPT)，結果顯示，光伏組件呈現(xiàn)出溫度由中心位置(溫度最高)逐漸向四周擴散的分布方式，且同平面的等溫線為圓形，不受光伏組件本身的形狀影響。在太陽輻照度為1000 W/m2、風速為1 m/s、環(huán)境溫度為20 ℃時，光伏組件中心溫度為 58.61 ℃。光伏組件中央溫度最高，與邊界最低溫差為0.68 ℃，與頂角的最高溫差為1.2 ℃。

2.2 光伏組件頂層與背板溫度差異

光伏組件受環(huán)境溫度、風速及太陽輻照度的影響，組件內部層與層之間存在一定的溫度差。文獻[19-21]對此進行研究和測量后發(fā)現(xiàn)，該溫差值約為2.7～5.4 ℃。文獻[22]在標準測試環(huán)境下測得光伏組件頂層玻璃蓋板與底層背板之間的溫差不到1 ℃。但相較環(huán)境溫度等其他因素對電池性能的影響而言，光伏組件內部的溫度差異并不能明顯改變電池的各個電學參數。因此，在研究組件溫度對其性能的影響時，可忽略這種差異造成的變化[17]。不過值得注意的是，組件內部的這種溫度差值增加會降低電池的短路電流密度和填充因子，而開路電壓和轉換效率會有所提高[17]。

文獻[23]根據從熱帶地區(qū)小型光伏電站采集到的數據，測算了光伏組件玻璃蓋板和組件背板表面的溫度，結果顯示，組件頂層的溫度變化為42.4～52.6 ℃，背板的溫度變化為43.7～57.9 ℃，組件前后表面的溫差為1.3～5.6 ℃。此外，文獻還給出了兩個界面的溫度預測公式[23]：

式中，t為時間；Tcs為組件頂層表面溫度；Tcb為組件背板溫度；Ta為環(huán)境溫度，℃；G為太陽輻照度，W/m2。

由于光伏組件自身正常工作所產生的溫度差異較小，因此，通常在研究溫度對組件性能的影響時，可忽略該溫度差異對結果的作用。而由外界因素或電池本身存在缺陷造成的組件溫度不均通常十分嚴重，明顯的溫度差異會對組件造成損害，并影響其工作性能。除了提高組件自身抗氧化、抗腐蝕的性能外，亦可通過電池排布的改進及傳輸電路的優(yōu)化來改善“熱斑效應”和PID對組件性能的影響。

3 影響組件溫度的因素分析

3.1 環(huán)境條件的影響

光伏系統(tǒng)中，光伏組件的產能與組件溫度聯(lián)系十分密切[24]，組件溫度作為變量可以計算出光伏組件的發(fā)電效率[25]。影響組件溫度的因素主要有環(huán)境溫度、光照強度、風速及光入射角等[26]?，F(xiàn)有光伏組件的光電轉換效率較低，約80%的光能轉化為熱能，并導致組件發(fā)熱。光伏組件內部產生的熱量體現(xiàn)在組件溫度的變化，其數值通常要高于環(huán)境溫度[27]。而環(huán)境溫度與光照強度呈現(xiàn)出線性關系[28]，通常若該地區(qū)的光照越強往往環(huán)境溫度也就越高。在晴天等天空遮蔽物較少的情況下，太陽光照射到該地區(qū)的光能較多，地面吸收光能轉變?yōu)闊崮?，使環(huán)境溫度升高。雖然環(huán)境溫度的升高會導致光伏組件的發(fā)電性能降低，但通常日平均氣溫升高意味著光照變強，光伏發(fā)電功率整體呈上升趨勢。文獻[29]研究了不同類型太陽電池隨環(huán)境溫度不斷變化的產能效率。結果顯示，產能總體隨環(huán)境溫度升高而呈上升趨勢。

因此，增加光伏組件表面的空氣流動可提高其散熱，有助于提高光伏組件的發(fā)電效率。文獻[30]探討了地中海氣候區(qū)的屋頂光伏組件支架的高度對發(fā)電效率的影響。研究結果表明，光伏組件與屋頂之間的距離增大有助于增加組件背面的空氣流通，使組件散熱快并可提升其發(fā)電效率。當組件與屋頂的距離為0.04 m時，與緊貼屋頂的組件相比，其表面溫度降低了20 ℃左右。此外，風速會影響組件表面的灰塵附著情況，而灰塵對發(fā)電效率的影響是明顯的。對于離地較低的組件而言，較高的風速會揚起地面及周圍的灰塵附著于組件表面，但研究顯示，高風速條件下產生的附著層透光性好于低風速條件下產生的附著層[27]。因此，風速越大，組件可吸收的光能越多，產生的電能也越多。

從影響組件溫度的各個環(huán)境因素的影響程度來看，光照強度對組件溫度的影響最大。文獻[31]利用數值模擬仿真的方式分析了太陽電池的熱學模型，后又總結出可估算組件熱學、結構學和電學性能的多物理場模型[32]，并以此分析了4種天氣環(huán)境下，光伏組件在制冷和非制冷條件下的熱學、結構學和電學性能的區(qū)別。結果顯示，制冷效果更加依賴于太陽光照強度而非環(huán)境溫度。

從影響組件效率的內因和外因分析可知，組件自身的溫度對發(fā)電效率的影響更甚于光照強度對組件產生的影響。文獻[33]研究了實際工作環(huán)境下光伏組件的效率，研究顯示，組件效率并未隨著光照強度的增加而持續(xù)提高，而是在光照強度達到一定值時開始下降。這表明在一定條件下，溫度對組件效率的影響力度高于光照強度的影響。

3.2 組件結構的影響

將單個電池片同光伏組件的短路電壓和開路電流受溫度影響的變化率做對比可發(fā)現(xiàn)，組件的開路電壓隨溫度升高下降的更為明顯，而二者的短路電流隨溫度升高都有略微上升，但單個電池片的短路電流上升的更為明顯。相較于單個電池片，組件電學性能受溫度影響更為嚴重[34]。

組件背板的厚度及材料會影響電池的散熱，從而影響組件溫度。薄的TPT背板有助于降低組件溫度并提高輸出功率。文獻[35]研究了多晶硅電池的溫度分布及背板在整個組件中的作用，發(fā)現(xiàn)隨著TPT背板厚度的增加，組件熱阻也隨之增加；當TPT背板厚度從0.1 mm增至0.7 mm，組件溫度極值呈線性增長，增長率為1.476℃/mm。

組件封裝材料也會對組件溫度造成影響。為減少電池對光的反射，一般可將電池表面做織構化處理或在表面沉積一層減反射膜。如文獻[36]，用HF/HNO3溶液化學腐蝕的方式在電池表面制備多孔硅膜，大幅降低了硅表面在可見光譜區(qū)的反射率。通過改進組件封裝材料可增加電池對光的吸收，減少反射率，進而提高電池效率，但同時也會提高組件溫度。文獻[3]對比了silicone 、Ionomere和傳統(tǒng)的EVA封裝材料對組件溫度和發(fā)電效率的影響。結果顯示，silicone和 Ionomere封裝的組件發(fā)電效率比平均值高出2%～3%，但用這兩種材料封裝的光伏組件溫度高于EVA材料封裝的光伏組件[37]。

4 光伏系統(tǒng)冷卻技術概述

光伏組件吸收的陽光越多，產能越高，但自身的溫升也會影響整個組件的性能。光伏系統(tǒng)的冷卻技術可減少溫度的副作用，延長整個系統(tǒng)的壽命；系統(tǒng)多余的熱量亦可轉化為電能，可提高太陽能的利用率。

4.1 光伏系統(tǒng)被動冷卻技術

光伏系統(tǒng)的被動冷卻技術不需要附加冷卻裝置，也可免去額外的能源消耗，但大部分的技術冷卻效率并不高，冷卻效果存在延時。如，利用自然風加速帶走組件表面溫度的方式對環(huán)境要求較高，需要組件安裝在離地較高的位置或風速快的區(qū)域。

2014年斯坦福大學的太陽能研究小組發(fā)明了一種無色透明的硅涂層，該涂層可將熱量收集起來直接輻射到太空，從而有效降低組件溫度，提高發(fā)電效率[38]。這種技術可有效利用太空作為能源冷卻技術的散熱體，通過紅外電磁波輻射的熱量可順利通過大氣層直至太空，不會妨礙光子的吸收，也不會影響電池吸收光能。實驗表明，該涂層使位于下面的光吸收層溫度降低至13 ℃，冷卻效果十分明顯。2015年 Ebrahimi等[39]提出了另一種具有創(chuàng)造性的被動冷卻技術，該技術以自然界的水蒸氣作為熱量傳輸的載體，加速電池片背面的蒸汽流動速度，降低溫度。實驗裝置如圖3所示，蒸汽流動可使被測電池溫度從48.3℃降至39.3 ℃，使產能提高7.3%。此外，以蒸汽作為散熱媒介的技術還有蒸發(fā)制冷技術，可使電池片產能提高19.1%[40]。借鑒樹的水分傳輸機制發(fā)明的仿生學微孔蒸發(fā)薄膜制冷技術使實驗所用電池片溫度降低了11.7 ℃[41]。在組件背部安裝散熱片和棉芯的散熱系統(tǒng)[42]可使組件溫度從49.2 ℃降至43.3 ℃，產能提高14%。

圖3 蒸汽被動冷卻技術實驗裝置[39]

4.2 光伏系統(tǒng)主動冷卻技術

主動冷卻技術具有靈活性和可控性，其最大的優(yōu)勢在于可充分利用太陽能所提供的熱能，產生的電能遠多于僅直接利用光能轉換的電能。相較被動冷卻技術而言，該技術依賴于散熱葉片及水等傳輸媒介，因此要求額外的電能消耗，還需配置單獨的冷卻設備，這對光伏系統(tǒng)的安裝環(huán)境造成了限制。但其冷卻效果十分顯著，尤其是在環(huán)境溫度高于電池工作溫度的條件下，主動冷卻技術可有效改善整個系統(tǒng)的工作效率。

Ni?eti?等[43]在2016年發(fā)表的文章中提到了一種針對電池板的主動冷卻技術。該技術利用水作為熱能傳輸媒介，在電池板上下兩端加裝了輸水裝置。經測試，電池板溫度由54 ℃降至24 ℃，產能及效率分別為16.3%和14.1%。Mehrotra等[44]系統(tǒng)地研究了水浴冷卻技術，將整個電池板浸入水中，并測試在不同浸入深度下的效率。測試結果顯示，浸入深度每增加1 cm，效率可提高17.8%。風可加速電池板熱能的擴散，將風能和太陽電池結合起來，既可降低電池的溫度，同時又能收集來自于風能轉換的電能。Rahimi等[45]創(chuàng)造性的將自適應噴流系統(tǒng)應用于電池的冷卻裝置中，如圖4所示，雖然電池溫度降低的幅度不大(僅為3 ℃)，但該系統(tǒng)整體的產能較未安裝冷卻裝置的系統(tǒng)高出近21%。

圖4 自適應噴流系統(tǒng)冷卻裝置示意圖[45]

5 結論

本文對比分析了不同材料太陽電池和光伏組件的溫度特性、溫度性能的判定方式和測量標準，并給出了幾種晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池的溫度系數作為參考，還對光伏系統(tǒng)的降溫冷卻技術進行了介紹。

1)參考不同類型太陽電池的溫度系數，并進行比較分析后發(fā)現(xiàn)，晶體硅電池對溫度最為敏感，薄膜電池受溫度影響較小，非晶硅電池的溫度系數低于晶體硅電池。這主要是由于非晶硅電池的“熱退火效應”使其在較高溫度下反而具有更好的輸出特性；再者，非硅薄膜電池的禁帶寬度隨溫度的升高而降低，溫度升高時光子吸收率增加，一定程度上提高了太陽電池的轉換效率。

2)組件自身存在的溫度不均勻會導致組件發(fā)電量的改變，過大的溫差會損壞光伏組件，使產能急劇下降。組件自身在正常工作環(huán)境下的表面溫度差異及上下表面的溫度差異對組件發(fā)電量的影響不甚明顯，但組件內部這種溫差的增加，會降低電池的短路電流密度和填充因子，改變組件的電學性能。

3)從影響組件溫度的因素來看，組件溫度受環(huán)境及自身材料和結構的共同影響。隨著輻照度和環(huán)境溫度的升高，組件溫度呈線性增長；但風速及組件距地高度這兩個變量的增加則促使組件散熱加快，從而降低了組件溫度。從組件采用的電池片材料分析發(fā)現(xiàn)，多晶硅對溫度的敏感性比單晶硅要高。組件底部背板的材料和厚度也是決定組件整體溫度的重要變量，厚度的增加會阻礙組件內部的散熱；某些封裝材料的應用也會改變組件的溫度。因此，為了降低組件溫度，可將其建立在通風處便于散熱，同時通過優(yōu)化組件結構及提高電池的質量來抑制溫度的變化。

4)光伏系統(tǒng)主動和被動冷卻技術的引入，可減少溫度變化對整個系統(tǒng)的副作用，延長系統(tǒng)壽命，最終達到提高太陽電池產能的目的，但會增加系統(tǒng)的安裝難度和發(fā)電成本。

5)光伏市場的規(guī)模在不斷擴大，新的電池工藝和技術層出不窮。關注材料與器件的溫度性能，進行有針對性的研究，可提高太陽電池在實際工作環(huán)境中的性能，提高太陽電池的光電轉換效率，降低光伏發(fā)電成本。同時也應從系統(tǒng)層面對光伏系統(tǒng)和光伏電站進行熱學分析和優(yōu)化，降低組件的工作環(huán)境溫度，提高光伏系統(tǒng)的工作效率。

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