太阳能电池光伏特性研究

太阳能光伏电池特性实验研究

太阳能光伏电池的输出具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度、温度等）以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，从而使得太阳能电池的输出功率发生变化，其实际转换效率受到一定限制。因此，对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了一个重要课题[1]。与跟踪式太阳能光伏系统相比，固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。太阳能光伏电池表面温度将随辐射能的增强而升高，在一定程度上影响了太阳能电板的输出功率。本文主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进行了实验研究。

1、理论分析

理想的太阳能电池可以看做是一个产生光生电流I ph 的恒流源与一个处于正向偏置的二极管并联，如图1所示。如果负载R L 短路了，电路只有光生电流I ph ，光强越强，电子-空穴对的产生率越高，光生电流I ph 越大，即短路电流I sc 为：

sc ph I I =-

（1）

I

I

图1 理想太阳能电池等效电路[2]

如果负载R L 不短路，那么P-N 结内流过的电流I d 方向与光生电流方向相反，会抵消部分光生电流，使少数载流子注入和扩散。太阳能电池输出的净电流I 是光生电流I ph 和二极管电流I d 之差，故太阳能电池的光伏I-V 特性可表示为：

ph d ph exp 1O qV I I I I I nkT ⎡⎤

⎛⎫=-=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣

⎦

（2）

式中：I o ——反向饱和电流；n ——理想因子，由半导体材料和制造技术决定，

n=1~2；V ——二极管电压；k ——波尔兹曼常数；q ——电子电量；T ——二极管绝对温度。

当电流I =0时，这意味着产生的光生电流I ph 正好等于光电压V oc 产生的二极管电流I d ，即I ph =I d 。从式（2）可得出V oc 为：

ph 01OC

I nkT V In q I ⎡⎤

=+⎢⎥⎣⎦

（3）

I-V 特性曲线是测量太阳能电池参数的常用曲线。电池的开路电压V oc 由I-V 曲线与V 轴的交点（I =0）给出。对于给定的光强、工作温度和受光面积，太阳能电池的输出特性受短路电流I sc 和开路电压V oc 两个主要参数的限制。

光伏电池输出功率受多个因素的影响，尤其取决于照射到其表面的太阳辐射量。硅材料只能最大限度地吸收一定波长的太阳光辐射，太阳光中波长小于1.1μm 的光才具有足够的能量产生电子-空穴对，大于1.1μm 的长波则转变为热量。由式（1）和式（3）可知：在温度恒定的情况下，短路电流随光强线性增加，开路电压随光强呈对数增加，电池的理想效率随光强的增加而增加[3]。

2、实验结果及分析 2.1伏安特性实验

实验1在太阳辐射强度变化不大的条件下，选择合适的倾角，从0Ω到100Ω逐渐改变负载电阻值，记录负载两端电压及流过负载的电流。当太阳辐射为938.8-2W m ，环境温度为39.5℃时，实验结果如图2至图5所示。

电流 /A

负载 / Ω

电压 / V

负载 / Ω

图2 电流随负载变化关系图

图3 电压随负载变化关系图 功率 / W

负载 / Ω

电压 / V

功率 / W

图4功率随负载变化关系图 图5 太阳能电池伏安特性曲线 从图2、图3中可以看出，通过负载的电流随着负载的增大而减小，负载两端的电压随负载的增大而增大。负载在0~15Ω之间变化时，随着负载的增大，

电流急剧减小，电压急剧增大，负载在11Ω~45Ω之间变化，电流和电压变化比较缓慢，当负载大于45Ω时，电流逐渐趋近于0，电压逐渐趋近开路电压。

从图4中可以看出，太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在0~6Ω之间变化时，输出功率随负载增大急剧升高，在负载为6Ω左右时功率达到最大值39.76W ，负载从6Ω增大到40Ω过程中，功率下降明显，40Ω时输出功率为8.16W ，已经降至最大输出功率的20%。

图5为太阳能电池的伏安特性曲线及功率随电压变化曲线，从图中可以看出，当电压在0-14V 之间变化时，电流变化不大，输出功率随着电压的增大缓慢增大，电压大于14V 后继续增大负载，电流迅速减小，且功率随着电流的减小而减小，即电压约为14V 时输出功率达到最大值，该点即为最大输出功率点。

2.2照度特性实验

实验2测试不同环境温度下太阳能电池的开路电压V oc 、短路电流I sc 随太阳辐射强度变化规律，分析不同环境温度下太阳辐射对太阳能电池输出功率的影响。实验结果如图6、图7所示。

短路电流 / A

太阳辐射 / W/m

2

太阳辐射 / W/m

2

图6短路电流随太阳辐射变化关系 图7 开路电压随太阳辐射变化关系 在图6中将散点的实验值进行拟合，即可得到电流与太阳辐射强度的拟合曲线。从图中可以看出：①不同环境温度下短路电流都随着太阳辐射的增大而增大，且呈现出线性关系。②太阳辐射强度相同时，不同环境温度下短路电流不同。从拟合的直线可以看出不同环境温度对应不同的斜率。③在太阳辐射强度相同的条件下，环境温度越高短路电流越大，太阳辐射越大这种差异越明显。

图7为开路电压随太阳辐射变化关系，从图中可以看出：①太阳辐射强度在300-2W m ⋅-900-2W m ⋅之间变化时开路电压在18V 上下波动；太阳辐射强度小于300-2W m ⋅时开路电压略有下降。②相同太阳辐射强度下，与短路电流相反，环境温度越高则开路电压越低。理论上，开路电压随光强呈对数增加，弱光时开路电压随光照强度增加很快，但是强光时趋于饱和[4]。由于实验条件限制，对于太阳辐射强度低于200-2W m ⋅的开路电压没有做测量。

3、结论

本文以太阳能光伏发电为研究背景，采用理论分析和实验测试相结合的研究方法，借助现代先进的测试技术，对太阳能单晶硅电池性能进行了分析与探讨。本文的工作结论总结如下：

1、太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在0~6Ω之间变化时，输出功率随负载增大急剧升高，在负载约为6Ω时功率达到最大值39.76W，负载从6Ω增大到40Ω过程中，功率下降明显，40Ω时输出功率为8.16W，已经降至最大输出功率的20%。根据实验绘制的伏安特性曲线可以得到太阳能电池的最大功率点。

2、太阳能光伏电池的输出功率与太阳辐射强度有关。短路电流I sc随太阳辐射强度的增大而线性增加，开路电压V oc随太阳辐射强度的增大呈对数增加，且弱光时开路电压随光照强度增加很快，强光（>300-2

）时趋于饱和。

W m

3、太阳能光伏电池的输出功率与温度有关。在太阳辐射强度一定的条件下，短路电流I sc随着太阳能电池温度的升高而增加，开路电压V oc则随温度的升高而减小。因此，太阳能电池的安装位置应当在没有阴影遮蔽日照最多的地方，并且应尽量保证电池上、下两面的空气流通以保持尽可能低的温度。

[1] 张利, 光伏电池特性研究[D]. 华北电力大学. 2008,5.

[2] 杨金换,于化丛,葛亮. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[3] 刘荣.自然能供电技术[M]. 北京: 科学出版社,2000:56-61.

[4] 陈维, 户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究[D]. 中国科学技术

大学. 2006,4.