矽基太陽電池之系統發電性能評估 System Performance Evaluation of Silicon-based Solar cell

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2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年 9 月 5 日

矽基太陽電池之系統發電性能評估

System Performance Evaluation of Silicon-based Solar cell

蔡知達* 陳定鼎* 嚴坤龍* 白明憲**

CHIH-TA TSAI TING-TING CHEN KUN-LUNG YEN MING-SING R. BAI

*工業技術研究院太陽光電科技中心 Photovoltaics Technology Center of Industrial Technology Research Institute

**國立交通大學 National Chiao Tung University

摘要

為探討矽基太陽電池(Silicon-based Solar Cell)之系統發電性能，本文分別選用非晶矽(Amorphous, a-Si)、HIT( Hetero junction with Intrinsic Thin Layer)與多晶矽(Poly Silicon, p-Si) 等三種型式太陽電池，進行系統發電性能評估，系統型式為併聯型(Grid-connected System)發電系統，模組設置方位角為正南，傾斜角為10 度；依 97 年 1 月至 6 月的統計結果，每 kWp 日平均發電量分別為 3.27、2.82 與 3 (kWh/d /kWp)，整體系統效率為 5.82、13.51 與 11.97%，以非晶矽系統日平均發電量較高，但因其模組效率較低，在同系統容量條件下，

設置面積為HIT 模組的 2.66 倍，為多晶矽模組的 2.23 倍。

關鍵字：太陽電池、非晶矽、HIT、多晶矽、系統性能評估。

Abstract

The photovoltaic system performance evaluation of silicon- based solar cells is presented in this paper. The Amorphous Silicon (a-Si)、Hetero junction with Intrinsic Thin Layer (HIT) and Poly Silicon (p-Si) are three kinds of solar cells assessed in this study. Three photovoltaic systems are the grid-connected type and installed at due south and inclined at 10^o. System performances were monitored from January to June 2007.

The daily mean yields (DMY) of a-Si, HIT and p-Si systems were 3.27, 2.82 and 3 (kWh/d/kWp), and the system efficiency were 5.82, 13.51 and 11.97%. The DMY of a-Si system is higher than HIT and p-Si, but a-Si cell conversion efficiency is lower than other cells. Therefore, installation array area of a-Si is 2.66 times of HIT and 2.23 times of p-Si at the 1kWp system capacity condition.

Keywords: Solar Cell, Amorphous Silicon (a-Si), HIT, Poly Silicon (p-Si), Performance Evaluation.

一、前言

能源的需求隨人類文明的進步而日益增加，能源短缺的問題亦日漸浮現，世界各國均積極尋求替代的再生能源，在眾多的再生能源中以太陽能最具發展的潛力，因其有潔淨、安全性高與壽命長等優點，為二十一世紀重要發展的再生能源；太陽電池型式有結晶矽的單晶矽、多晶矽與 HIT 等，高效率三五族的砷化鎵 (GaAs)，矽薄膜的非晶矽、銅銦鎵硒(CuInGaSe, CIGS)、

碲化鎘(CdTe) 等，以及有機染料類的染料敏化 (Dye-sensitized)等，結晶矽太陽電池在效率部份表現較

佳且穩定，但目前因上游矽原料缺乏導致成本高居不下，而矽薄膜太陽電池厚度約2μm，僅矽晶片基板厚度的百分之一，因此無缺料之問題，經市場評估，若矽薄膜太陽電池效率可高於12%，其發電成本估計將可低於 US $1/Wp，但由於非晶矽薄膜太陽電池效率低且照光穩定性差，至目前只佔全球太陽電池市場 9.8%，技術上仍有待突破；台灣目前總體太陽光電系統設置量已突破2MWp，國內系統設置上大多選用矽基型的單晶矽、

多晶矽、HIT 與非晶矽等太陽電池為主的模組，本文就以國內的氣候條件，探討矽基太陽電池的系統性能表現，以提供讀者在系統設計上之參考。

二、系統設置與監測方式說明

本研究系統設置於新竹縣工業技術研究院中興院區內(E：121^o02’, N：24^o46’)，於 97 年 1 月 1 日系統正式開始運轉，系統型式為市電併聯型的發電系統，其規劃設置表如表 1 所示；本文在模組之選用部份，選擇 Kaneka 的非晶矽、SANYO 的 HIT 與 Kyocera 的多晶矽等三種矽基太陽電池之模組，其中 HIT 模組為日本 SANYO 公司專利技術，其太陽電池是以單晶矽與非晶矽兩種疊而成，吸收的光譜可含蓋更廣，因此 Cell 效率達18.7%，為本文所探討的太陽電池中效率最高，模組電氣規格與效率之整理如表2 所述。

系統監測之規劃，在氣象資料部份有日照強度與大氣溫度，直流側部分有電壓、電流、功率、瓦時與模組溫度(T-type Thermocouple 每一套系統設置 3 點)，交流測部份有電壓、電流、功率、瓦時、頻率與功因等；量測準確性上，日照強度之誤差



5%、溫度量測誤差



1℃、功率量測誤差



2%；在資料取樣與記錄部份，

氣象資料10 秒鐘取樣一筆，每 1 分鐘平均一次並記錄之，而直交流側的電氣資料與模組溫度均以10 秒鐘取樣一筆並記錄之，本文為減少日照強度與電氣資料之統計分析上的同步性誤差，以平均5 分鐘內資料為一筆，

來進行分析。

表1.系統設置資料表

太陽電池

型式模組變流器系統額定

容量(Wp)

傾斜角

(度) 方位角

非晶矽 Kaneka

G-EA60 SMA SB1700 1620 10 正南

HIT SANYO

HIP-210NHE5 SMA SB1700 1680 10 正南多晶矽 Kyocera

KC200GT

GS YUASA

4500 4000 10 正南

1620

2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年9 月5 日

(2)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1月 2月 3月 4月 5月 6月

日射量(kWh/m^2/month)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

日射量(kWh/m^2/day)

傾斜角:0 (水平)-月總合方位角:正南傾斜角:10度-月總合

傾斜角:0 (水平)-日平均方位角:正南傾斜角:10度-日平均

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

1- 100 101- 200 201- 300 301-400 401- 500 501- 600 601- 700 701- 800 801-900 901-1000 1001- 以上 In-plane Irradiance Class (W/m^2)

Irradiance Energy in %

日照強度分佈百分比

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

1月 2月 3月 4月 5月 6月

Daily Mean Yield (kWh/d/kWp)

a-Si-DMY HIT-DMY p-Si-DMY 表2.模組電氣規格資料表

三、日射量統計

氣象資料監測規劃上以設置水平(全天空)為參考值與正南傾斜角 10 度(與模組角度一致)來進行比較探討；其日射計(Pyranometer)乃選用符合 ISO 9060 Second Class 規範的 DELTA OHM LP PYRA 03；依自 97 年 1 至6 月的監測結果，如圖 1 所示，水平與傾斜角 10 度的日平均日射量為3.5 與 3.56 (kWh/m²/d)，兩者差異不大，而因太陽軌跡的關係，1~4 月的傾斜角 10 度的日射量略優於水平設置，5~6 月則反之。因台灣處於低緯度地區，依圖 2 所示的傾斜角 10 度日照強度(In-plane Irradiance)分佈，在日照強度 500 (W/m²)以上佔 60.6%，

而200 (W/m²)以下佔 12.3%，若以上述的設置條件下，

變流器容量與太陽光電組列(PV Array)容量以 1:1 的方式配比，有12.3%太陽光電能量轉換，會因變流器工作於輕載狀態，而會有較高的能量轉換損失。

圖1.97 年 1-6 月全天空與 In-plane 日射量

圖2. 正南&傾斜角 10 度之日照強度分佈

三、性能評估與討論

系統性能評估依IEC 61730 之規範[1]，基本之評估方式有日平均發電量(Daily Mean Yield, DMY)、性能比 (Performance Ratio, PR)與系統效率(System Efficiency, ηtot)，公式如(1)~(3)所示，

0 AC/

E Day DMY



P

--- (1)

0 0

/ /

AC I

E P PR



H G

--- (2)

AC tot

I A

E H A





 --- (3) EAC：期間交流發電量(kWh) P0：系統額定功率(Wp) AA：組列面積(m²) Day：統計天數

HI：期間日射量(kWh/m²) G0：標準日照強度(1000W/m²)

三套系統之日平均發電量如圖3 所示，本文所選用的a-Si、HIT 與p-Si三種太陽電池系統，6 個月的平均 DMY 分別為 3.27、2.82 與 3 (kWh/d /kWp)，以a-Si表現最佳，為HIT 與p-Si的1.16 及 1.1 倍，主要原因為其太陽電池受溫度影響的程度低於其他兩者，一般結晶矽太陽電池而言，模組溫度升高 1轉換效率下降約 0.4%[2]。模組溫度影響發電之探討，本文以直流發電比(Array Ratio, RA)與模組溫度之對應關係來看， RA為評估組列或模組輸出功率與日照強度之關係，其隱含了直流側的損失(模組因溫度效應而效率下降之損失、模組間匹配的 Miss match 損失、模組表面落塵之效率損失、阻隔二極體導通損失、線損等)，公式如(4)所示，

在日照強度>800 (W/m²)晴朗無雲的條件下，如圖 4 所示，當模組溫度60℃時，a-Si與p-Si系統的RA分別為 95%與 84%，若以相關係數(Correlation Coefficient, r ) 方式來分析，a-Si的相關係數為-0.41，而p-Si為-0.86，

其相關性的方向皆為負，即模組溫度越高PV 發電功率則越低，在相關性的強度部份，p-Si較a-Si強，表示p-Si 較會受模組溫度而影響發電功率； HIT 在此部份的表現，相關係數為-0.87 與p-Si差異不大。

0

/ /

DC A

I

P P

R  G G

--- (4)

PDC：組列輸出功率(W) GI：In-plane 日照強度(W/m²)

圖3.a-Si、HIT 與p-Si之系統各月DMY

模組 Voc

(V) Vmp

(V) Isc (A)

Imp (A)

Pmax (W)

面積 (m²)

模組效率 Kaneka

G-EA60 91.8 67 1.19 0.9 60 0.95 6.31%

SANYO

HIP-210NHE5 50.9 41.3 5.57 5.09 210 1.25 16.76%

Kyocera

KC200GT 32.9 26.3 8.21 7.61 200 1.42 14.05%

1621

(3)

y (a-Si)= -0.00 x + 1.05 R² = 0.17

y (p-Si)= -0.004 x + 1.091 R² = 0.739

40%

60%

80%

100%

120%

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

PV Module Temperature (℃)

RA

a-Si- RA vs. PV Module Temperature p-Si- RA vs. PV Module Temperature 線性 (a-Si- RA vs. PV Module Temperature ) 線性 (p-Si- RA vs. PV Module Temperature )

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

1月 2月 3月 4月 5月 6月

Sy st em E ff ic ie nc y

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PR

a-Si-PR HIT-PR p-Si-PR

a-Si-System Efficiency HIT-System Efficiency p-Si-System Efficiency

y(a-Si) = 1.005 x + 7.634 R² = 0.989

y (p-Si)= 0.895 x + 7.775 R² = 0.988

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

GI (W/m^2)

Array Power (W)

a-Si-Array Power vs. GI p-Si-Array Power vs. GI 線性 (a-Si-Array Power vs. GI) 線性 (p-Si-Array Power vs. GI)

y(p-Si) = 0.895 x + 7.775 R² = 0.988

y(HIT)= 0.852 x + 10.004 R² = 0.983

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

GI (W/m^2)

Array Power (W)

p-Si-Array Power vs. GI HIT-Array Power vs. GI 線性 (p-Si-Array Power vs. GI) 線性 (HIT-Array Power vs. GI)

圖4.在日照強度 800W/m²以上,a-Si與p-Si之RA與模組溫度分佈

如圖5~6 每日的組列側(直流側)之每 kWp 輸出功率與日照強度關係，a-Si模組因具低溫度係數，且在低日照的短波長頻譜吸收效率較佳[3]，因此從高日照變化至低日照的模組效率衰減幅度並不大，一般市售多晶矽模組，在低日照200 (W/m²)以下，模組效率大幅減少約55~90%[4]；觀察圖 5 中日照強度在 800 (W/m²)以上部份，明顯a-Si 的組列輸出功率大於p-Si，且兩者在此條件下RA相差約9%；在 HIT 模組表現部份，依圖 6 統計結果，其特性與p-Si接近；a-Si、HIT 與p-Si三種不同的 Cell 的模組，輸出功率與日照強度之相關性皆具有正方向且極強的線性關係，相關係數分別為 +0.995、+0.991、+0.994，迴歸方程式如圖 5~6 中所述，

y 為每 kWp 組列輸出功率，x 為日照強度，其決定系數 (Coefficient of Determination, R² )均達 0.98 以上(最大為 1)，即表示由迴歸方程式所計算出的預測值與實際量測值之誤差很小，該迴歸方程式具很高的可信度。

圖5. a-Si 與p-Si之組列輸出功率與In-plane 日照強度分佈

圖6. p-Si與HIT 之組列輸出功率與 In-plane 日照強度分佈

系統之1~6 月份性能比 PR 與系統效率 System Efficiency 如圖 7 所示，PR 乃評估整體系統之發電性能，a-Si、HIT 與p-Si三套系統之平均PR 為 91.76%、

79.79%與 84.33%，而因a-Si模組的DMY 高於 HIT 與 p-Si，因此在本文的設置條件下，選用a-Si模組的系統具有較佳的PR 值；系統效率大小與模組效率有關，即模組效率與PR 之乘積，其 6 個月平均系統效率分別為 5.82%、13.51%與 11.97%，由此結果可知，雖a-Si模組的DMY 較高，但因a-Si模組的效率較低，在系統容量為1kWp 的條件下，所須的模組面積為 15.83(m²/kWp) p-Si模組為7.1(m²/kWp)，而 HIT 模組面積僅須要 5.95(m²/kWp)，若以單位面積下每日可貢獻的 kWh (即 DMY/ (m²/kWp) )方式來看，a-Si、HIT 與p-Si三套系統分別為0.21、0.47 與 0.42 (kWh/d/m²)，HIT 的能量密度高於其他兩者，分別為a-Si與p-Si的2.24 及 1.12 倍，

其比較整理結果如表3 所述。

圖7 .a-Si、HIT 與p-Si之系統各月PR 與系統效率

表3.a-Si、HIT 與p-Si之單位面積每日發電量

系統容量(Wp)

總模組面積(m²)

每kWp 模組面積 (m²/kWp)

1-6 月份平均DMY (kWh/d/kWp)

單位面積之每日發電量 (kWh/d/m²)

a-Si ¹⁶²⁰ ^25.65 ^15.83 ^3.27 ^0.207

p-Si ⁴⁰⁰⁰ ^28.40 ^7.10 ^3.00 ^0.423

1622

(4)

四、結論

本文分別對設置於正南、傾斜角10 度之非晶矽、

HIT 與多晶矽三種矽基太陽電池的系統，進行系統性能評估，依97 年 1 月至 6 月的統計結果，每 kWp 日平均發電量分別為3.27、2.82 與 3 (kWh/d /kWp)，PR 為 91.76%、79.79%與 84.33%，系統效率為 5.82%、13.51%

與11.97%；在日照強度>800 (W/m²)晴朗無雲的條件下，非晶矽模組之RA值與模組溫度的相關係數為 -0.41，而 HIT 與多晶矽為-0.87 及-0.86，即表示非晶矽模組受溫度影響而效率下降之程度較小，因此在高日照強度時所會引起的高模組溫度情況下，組列之每kWp 的輸出功率高於HIT 與多晶矽模組；雖非晶矽模組之日平均發電量優於其他兩者，但因其效率較低，在單位面積下每日可貢獻的kWh 僅 0.21 (kWh/d/m²)，而 HIT 與多晶矽則分別為0.47 與 0.42 (kWh/d/m²)，因此若系統設計上選用非晶矽模組，則需較選用HIT 與多晶矽模組多付出設置面積與基礎、支撐架等成本。

五、參考文獻

[1] IEC, “Photovoltaic System Performance Monitoring– Guidelines for Measurement, Data Exchange, and Analysis, IEC Standard 61724”, 1988. Geneva, Switzerland.

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