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( Heterojunction 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 thegrid-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

HITSANYO

HIP-210NHE5SMA SB1700 1680 10 正南

多晶矽Kyocera

KC200GTGS YUASA

45004000 10 正南

1620

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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

/ACE DayDMYP

------ (1)

0

0

/

/AC

I

E PPRH G

------ (2)

ACtot

I A

EH 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

0

/

/DC

AI

P PRG 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%

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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

Syst

em E

ffic

ienc

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

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

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

HIT 1680 10.00 5.95 2.82 0.474

p-Si 4000 28.40 7.10 3.00 0.423

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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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performance of a grid-connected photovoltaic system”, PROGRESS

IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, 2007.

15, 353–368.

[3] Ru ther R, Dacoregio MM, “Performance assessment of a 2 kWp

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installation in Brazil” , PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS:

RESEARCH AND APPLICATIONS, 2000. 15, 257–266.

[4] Bu cher K, “Site dependence of the energy collection of PV

modules”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 1997. 47, 85–94.

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