柔性薄膜太阳电池温度系数初探

姚元鑫，郄毅鹏，董莉，程保义

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

柔性薄膜太阳电池温度系数初探

姚元鑫，郄毅鹏，董莉，程保义

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

影响电池功率输出的因素有很多，例如温度，由于工作环境的温度不同，其电压、电流、功率也不同，电池在极端温度下工作状态能否达到要求，需要在电路设计时进行预算，因此温度系数这一电池特性就显得尤为重要。通过一组实验，在不同的温度下对柔性薄膜太阳电池进行电性能测试，得到样品电池在不同温度下的I-V曲线以及各项参数。结果表明，电池随着温度的升高，开路电压降低，短路电流升高，最大功率降低。

柔性薄膜电池；电性能测试；温度系数

太阳能作为一种丰富、清洁、安全的新能源，引起了许多国家的关注和研究。柔性薄膜太阳电池作为一种新型太阳电池，具有可弯折、不易破碎、质量轻、成本低等优点，吸引了越来越多的研究者。其中非晶硅柔性电池的造价比其他薄膜电池更低，在一些国家被广泛地应用，可安装在汽车的顶部、房屋等建筑物外表面、平流层飞艇表面，图1展示了薄膜电池的部分应用。由于工作环境温度的不同，电池的开路电压、短路电流、输出功率也不同，所以需要温度系数来推算电池在应用中是否能达到要求。

现今大多数研究集中在薄膜电池的开发，而对于温度系数测量的研究很少。本文通过一组实验，利用温度系数测试仪对样品柔性薄膜电池在不同温度下进行电性能测试，得到了开路电压、短路电流随温度的变化关系，并计算了该样品电池的温度系数，为今后该类型柔性薄膜电池的电性能测试及工程应用提供有效的依据。

图1 薄膜电池的应用

1 实验

1.1 实验样品

实验样品为两片聚合物基底单结非晶硅柔性太阳电池，尺寸8 cm×8 cm。表1所示为样品电池标准条件下的参数值。将样品电池粘贴在粘有聚酰亚胺薄膜的铜板上，将铜板固定在温控台上，用导线将负载与样品电池连接好。热敏电阻分别粘在电池两侧的聚酰亚胺膜上，并引出导线与数显温度计连接，用于实时观测铜板的温度，便于测试人员掌控测试温度，如图2所示。

表1 样品电池标准条件下参数值

图2 温度系数测试仪

1.2 实验设备

实验设备采用温度系数测试仪，它由工作腔体、冷热工作台、真空系统、液氮系统、控制系统和测量系统六部分构成。图2(a)为温度系数测试仪，图3为温度系数测试仪的原理图，图4为冷热工作台的原理图。

图3 温度系数测试仪原理图

图4 冷热工作台原理图

低温测试中，电池表面会结霜，本次使用的温度系数测试仪新加入分子泵，先由机械泵进行抽真空，再由分子泵进行抽真空，工作真空为5×10－3Pa。

1.3 实验过程

开启温度系数测试仪，电池保存在恒温25℃的除湿柜中，25℃作为初始温度[1]。

实验分为三个阶段，其流程如图5所示。

图5 实验流程图

2 实验结果与分析

2.1 实验结果分析

样品1与样品2实验结果基本一致，以样品1为例对结果进行说明。由于温度测试点较多，所以在75℃降温到－45℃这一过程中，从样品1中挑选5个温度测试点的I-V曲线组合在一起，如图6所示。从图6中可以看出，样品电池1在最高温度时，短路电流最大而开路电压最小，而在最低温度时，短路电流最小而开路电压最大。从75℃降温到－45℃这个过程中，样品1的短路电流随着温度的降低而减小，而开路电压随着温度的降低而增大。

图6 I-V曲线测试图

图7sc、oc、max随温度变化的曲线

上述得到的系数是经过取平均处理后得到的，电池的温度系数应该是某个区间范围内。经过多次实验，观察测得的数据，得到这一类型电池温度系数的变化范围。为去除面积对电池的电流和最大功率的影响，将电池温度系数以百分比的形式表示出来：

（1）随着电池温度的升高，功率降低，每升高1℃降低0.2%～0.25%；

（2）随着电池温度的升高，电压降低，每升高1℃降低0.26%～0.29%；

（3）随着电池温度的升高，电流升高，每升高1℃升高0.5%～0.78%。

通常半导体的禁带宽度随着温度升高而降低，使得光的吸收随之增加，所以电流随着温度的升高而增加；温度升高禁带宽度降低，导致势垒高度也降低，所以开路电压也随着温度的升高而降低；电流的变化率远远大于电压的变化率，所以功率也随着温度的升高而降低。

2.2 误差分析

可能造成本实验过程中电池测试误差的因素有：光源，温度的控制以及测试环境。

（1）光源：本次实验所用的太阳模拟器为A级太阳模拟器，光源是稳态光源，其不稳定性和均匀性均在±1%以内。但是光源的不稳定性和不均匀性依然会对电池电性能测试造成不可避免的误差。

（2）温度的控制：控制温度是本次实验的难点，直接影响数据的准确性。升温和降温的过程均是缓慢进行，当数显温度计显示测试点温度并稳定后，进行电池电性能测试。

（3）测试环境：通过将玻璃罩罩在温控台上，并抽真空，可以避免低温测试时电池表面结霜，避免不必要的测试误差。

3 结论

本文通过对同类型同尺寸的柔性薄膜非晶硅太阳电池进行温度系数测试实验，得出非晶硅薄膜太阳电池输出电性能随温度的变化曲线，结论如下：随着电池温度的升高，功率降低，电压降低，电流升高；温度每升高1℃，功率降低0.2%～ 0.25%，电压降低0.26%～0.29%，电流升高0.5%～0.78%。

本文通过实验测试，获得了柔性非晶硅薄膜太阳电池温度系数，为今后该类型柔性薄膜电池的工程应用提供了数据支撑。

[1]孙征，徐寿岩.创建控件环境下GaAs/Ge太阳电池光伏特性数据库[C]//中国宇航学会空间能源学术年会论文集.天津：中国宇航学会空间能源专业委员会，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，黑龙江省人，本科，助理工程师，主要研究方向为太阳电池。