太阳能电池串并联特性
太阳能电池的原理与特性
简述太阳能电池的原理与特性一、太阳能电池的基本工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。
这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。
太阳能电池工作原理的基础，是半导体p－n 结的“光生伏打”效应。
所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高。
因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。
可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点：（1）首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。
（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）—电子－空穴对。
这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。
（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n 结内建电场的作用下，电子- 空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p－n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。
（4）在太阳能电池p-n 结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。
下面以单晶硅太阳能电池为例，对太阳能电池的基本工作原理进行具体阐述。
众所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。
原子核带正电，电子带负电。
电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。
单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。
硅原子的外层电子壳层中有4 个电子。
每个原子的外壳电子都有固定的位置，并受原子核的约束。
它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。
由于电子带负电，空穴就表现为带正电。
电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。
太阳能板并联和串联的原则
太阳能板并联和串联的原则如下：
1.并联接是将多块太阳能电池板的正极相连，负极相连，以增加总电流，但
总电压不变。
这种连接方式可以提高系统的输出电流和稳定性，但也会消耗更多的电线和太阳能电池板之间的连接器件。
2.串联接是将多块太阳能电池板的正极和负极依次相连，以增加总电压，但
总电流不变。
这种连接方式增加了系统的输出电压，但同时也增加了系统的失效风险。
如果其中任意一块电池板损坏或发生故障，则整个系统的输出电压都将受到影响。
在实际应用中，常常采取串并联相结合的方式，通过加强接线，优化电源管理系统等措施来提高太阳能光伏系统的性能与稳定性。
太阳能电池特性测试实验报告
太阳电池特性测试实验太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。
利用太阳能发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光—电转换的基本装置就是太阳电池。
太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。
其中，硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。
单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。
多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。
非晶硅薄膜太阳电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高，直接影响了实际应用。
太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。
目前，中国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。
一、 实验目的1． 熟悉太阳电池的工作原理； 2． 太阳电池光电特性测量。
二、 实验原理（1） 太阳电池板结构以硅太阳电池为例：结构示意图如图1。
硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成，在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳电池板。
为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。
（2） 光伏效应当光照射到半导体PN 结上时，半导体PN 结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。
由于P-N结耗尽区存在着较强的图1 太阳能电池板结构示意图内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就是P-N 结的光生伏特效应。
太阳能电池原理及特性
1.1 太阳能电池原理1.1.1半导体材料对光的吸收太阳能电池，又叫光伏电池，是一种利用太阳光直接发电的光电器件。
太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的，而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时，一部分被半导体表面反射回来，一部分进入半导体被吸收，还有一部分将透过半导体。
在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定：I(x) = I0 （1—R）e—αx （3—1）其中α为与波长相关的吸收系数，R为半导体表面的反射率。
在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。
如图3－1所示，位于价带的一个电子，吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带，在价带中留下一个空穴，形成了一个电子空穴对。
这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。
这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。
在晶格图象中，硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空穴。
图3－1 载流子的本征吸收一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带，则被吸收的光子必定要满足：hf≥Eg（3—2）或者：h c/ λ≥Eg（3—3）硅的禁带宽度Eg = 1.119eV，因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。
与本征吸收对应的是非本征吸收，非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。
激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg 的光子而离开价带，但却无法进入导带成为自由电子。
该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个新的电中性系统，称为激子。
光伏发电运行失配机理及特性分析
光伏发电运行失配机理及特性分析发布时间：2022-07-05T08:24:37.099Z 来源：《福光技术》2022年14期作者：王宝强逯彦龙[导读] 随着电力系统相关技术的不断发展，越来越多的太阳能电池接入到电网中，作为太阳能组件基础发电单元的太阳能电池，由于其安装位置、运行等容易受到地形、气候、天气等因素的影响，在实际应用中往往会因为阴雨天气、云层或者楼群建筑等遮挡造成辐照强度下降的问题。
青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司青海西宁 810000摘要：随着电力系统相关技术的不断发展，越来越多的太阳能电池接入到电网中，作为太阳能组件基础发电单元的太阳能电池，由于其安装位置、运行等容易受到地形、气候、天气等因素的影响，在实际应用中往往会因为阴雨天气、云层或者楼群建筑等遮挡造成辐照强度下降的问题。
光伏发电系统主要拓扑结构为太阳能电池组串、并联，当其被这些现象干扰时，会大幅削弱模块的性能，使得太阳能电池发生功率失配的现象。
这种不匹配问题会引发太阳能电池输出功率降低，而且当受辐照强度影响的电池串联正常的电池组一起运行后，会导致整个电路产生反电压，并造成太阳能组件局部过热的现象，从而导致整个太阳能电池无法正常工作，甚至造成热斑烧毁整个组件。
关键词：光伏发电运行；失配机理；特性一、失配原因分析（一）内部性能失配发电模块的“性能差异”是导致内部结构性能失配损坏的直接原因。
它可以详细到一个字符串、一个组件、一个电池，甚至是电池的一小部分。
深入分析如下：（1）原材料和加工工艺造成的性能差异双面电池的制造和组件的包装形式应贯穿复杂加工工艺的全过程。
从原材料到电池的生产和成型，原材料和生产加工工艺的一致性必然导致电池电性能的差异。
双面组件的制造是一个集成了多种原材料、经过多阶段全产业链的全过程。
多原材料、多阶段的差异积累必然导致最终商品的性能差异。
（2）负差双面电池正面继承了传统单层电池的加工技术，性能差异逐渐减小，离散变量率趋于集中。
[太阳能电池特性实验讲义]
![[太阳能电池特性实验讲义]](https://img.taocdn.com/s3/m/0efe1cd733d4b14e85246879.png)
（2） 测量太阳能电池接受不同相对光强度（ J J0 ）光照射时，相应的 I SC 和U OC 的值。
（3） 描绘 I SC 与相对光强（ J J0 ）之间的关系曲线，求 I SC 与相对光强（ J J0 ）之间的
近似关系函数。
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P(mV )
U (V )
0
恒定光照不 加偏压的伏安特 性曲
外推求出 I SC 和U OC
选作：在恒定光照下，不加 偏压时的太阳能电池输出功 率与负载电阻关系曲线。
0
R (Ω) L
恒定光照不加偏 压的输出
功率与负载电阻 关系曲线
3. 学生可自行设计在不加偏压时，用白色光照射，测量太阳能电池并联时特性。（注意此时 光源到太阳能电池距离保持为20cm），比较太阳能电池串并联区别。 4.测量太阳能电池的光电效应与电光性质
【实验目的】
大学物理实验教程（第二分册）
实验 13 太阳能电池特性研究
1．在没有光照时，测量太阳能电池在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系
的经验公式。2. 测量太阳能电池的短路电流 ISC 、开路电压UOC 、最大输出功率 Pm 及填
充因子 FF ，〔FF= Pm ∕（ ISC ·UOC ，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要
0
J / J0
U OC 与相对光强（ J J 0 ）关系曲线
5. 在不加偏压时，用不同颜色光对太阳能电池板进行照
射，测量太阳能电池一些特性，比较其对太阳能电池输出电流的影响。（注意此时光源到太
阳能电池距离保持为 20cm ，在距光源10cm 处添加滤光片）
6. 在不加偏压时，通过控温模块调节太阳能电池的温度，测绘出太阳能电池在室温、45℃、 60℃三种不同温度时的伏安特性曲线，并比较出三条曲线的不同，验证太阳能电池的温度
太阳能电池串联并联电阻的精讲
太阳能电池串联并联电阻的精讲图中RS即为串联电阻：包括电池的体电阻、表⾯电阻、电极电阻、电极与硅表接触电阻等Rsh为旁漏电阻即为并联电阻，为硅⽚边缘不清洁及内部缺陷引起RS很⼩，Rsh很⼤理想情况下可以忽略，Ish很⼩串并联电阻对填充因⼦（FF）影响很⼤，串联电阻Rs越⾼，填充电流下降越多，填充因⼦减少的越多，并联电阻减少的越多效果相同。
对于旁漏电阻的⾮常好的解释：【1】并联电阻是为了解释分流现象⽽引⼊的⼀个概念，实际上是不存在这样⼀个电阻的。
举个简单的例⼦，⼀10A的恒流源接⼀10欧的电阻，那上⾯有10A的电流，如果再给它并联⼀个10欧的电阻，那它上⾯的电流只有5A了，还有5A分给了另外⼀个，这就是并联电阻引起的分流效应。
⼀定的光强下光⽣电流是⼀定的，如果电池⽚边缘刻蚀没刻断或者体内有区域性⾼导杂质，都会引起分流，导致穿过P-N结势垒的电流减少，相当于和结区并联了⼀个电阻，并联电阻越⼩分流效应越明显，所以我们希望它越⼤越好.【2】并联电阻是⼀个⽤于描述电池特性的基本的概念。
如楼上所述，并联电阻不是⼀个实体电阻。
但是，并联电阻⼜与实体电阻有关。
理论上，对于单p-n太阳电池，可以建⽴电路模型，常规的教材中均有这样的模型，可以给出⼀个串联电阻、并联电阻等等综合在⼀起的公式描述电流随电压的变化。
但是对于实际的电池和组件，影响的因素⾮常多，譬如：1、硅⽚边缘的短路通道（脏污可以引起）；2、薄膜电池中由于薄膜沉积质量差，存在针孔引起的短路通道；3、薄膜组件中串联集成时引起的短路通道。
4、.........因此，实际的测量系统中，是将光I－V特性曲线的接近V＝0的部分，或进⾏数学拟合后，或直接计算（dI/dV）的倒数，实际上就是光I-V曲线的接近V＝0的位置的微分的倒数。
这样的处理，对于FF较差的电池和组件，能够定性/半定量地将串联电阻⽤于⼯艺优化和分析。
⽽对于FF较好的电池和组件，由于测试设备所测电信号的起伏、以及所⽤数学拟合⽅法的局限，同⼀⽚样品，多次测量的重复性都很差的。
太阳能电池样板-实验报告
一、测量光照状态下太阳能电池的短路电流Isc,开路电压Uoc、最大输出功率Pmax，最佳
根据图示曲线，找出Pmax=6.664mW，由公式Ff=Pmax/(IscUoc)可得：Ff=0.58
二、测量太阳能电池无光照的伏安特性
图二正向偏压与电流关系图
根据实验数据处理要求，作出I-U关系曲线，经过拟合，得出相应的指数函数如图所示。
取拟合曲线上两点，根据公式（1）计算I0，取点（0.41,194.04）和（0.57,735）
最终解得I0=1.13uA
三、测量太阳能电池短路电流、开路电压与光强关系
图三不同光强下U-I关系曲线
由图三可知，随光强增大，开路电压和短路电流也不断增大，但趋于平缓，光强很大时，开路电压与光强几乎无关。
四、不同光照角度下的开路电压与短路电流
由图可知随角度增大，太阳能电池功率逐渐减小，角度增大越多，功率较小速度越快。
由表格可知，串联电压为两电池板电压之和，适合较高电压场合。
并联时短路电流为两板之和，适用于较高电流的场合。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
3.太阳能电池基本特性
太阳能电池的基本特性1、太阳能电池的基本特性太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。
具体解释如下1、太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。
太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。
这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。
当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。
能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。
因此,在太阳能电池的设计和制造过程中, 必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
2、有关太阳电池的性能参数1、开路电压开路电压UOC即将太阳能电池置于100 mW/cm勺光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。
2、短路电流短路电流ISC:就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。
3、最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。
如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。
此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im 表示。
4、填充因子FF太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF,他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。
太阳能电池基本特性实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除太阳能电池基本特性实验报告篇一：实验报告--太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名：张伟楠班级：F0703028学号：5070309108实验成绩：同组姓名：张家鹏实验日期：08.03.17指导教师：批阅日期：太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1．太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）的经过重掺杂的n型层．然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．图一太阳电池结构示意图2．光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区．同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（photovoltaiceffect,缩写为pV）．3．太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph．同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I为（1）式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2之间．q为电子电荷，kb为波尔茨曼常数，T为温度．如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为（2）当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I=0，由（2）和（3）式可得到开路电压（3）当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏–安特性曲线如图2所示．负载R可以从零到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率pm为（4）式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子FF，则（5）FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能pin之比，即（6）图三太阳电池的伏–安特性曲线4．太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．【实验数据记录、实验结果计算】◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：表11.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线2.各个条件下，光伏组件的输出功率p随负载电压V的变化【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：1.光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界）；2.研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；3.研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。
太阳能电池板串、并联输出功率特性与应用
太阳能电池板串、并联输出功率特性与应用王玉清【摘要】用实验方法研究了太阳能电池板串联、并联后的输出功率随负载电阻变化的规律.利用太阳能电池板并联后,对小负载的输出功率增大的特性,使小灯泡亮起来,可作为演示实验开出;应用太阳能电池板并联特性以及光照强度对太阳能电池特性的影响,可研究线性电阻、非线性电阻的伏安特性;这些应用既能达到节能的目的,又可以培养学生分析、解决问题的能力,把实验结论与实际应用有机地结合,为更好地利用太阳能提供参考和借鉴.【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】4页(P28-31)【关键词】太阳能电池板;输出功率;非线性电阻;线性电阻【作者】王玉清【作者单位】延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000【正文语种】中文【中图分类】TM914.4太阳能电池板自出现以来，人们对电池板特性的研究未曾间断[1-18]过。
关于太阳能电池板，传统的实验项目是：在实验课上，学生用钨灯作为光源，测量太阳能电池的开路电压、短路电流，研究光照强度与太阳能电池的开路电压、短路电流的关系，测量太阳能电池输出电压、输出电流与负载的关系等。
这样，在整个实验过程中学生不仅会觉得枯燥、缺乏趣味性，而且最终没有搞清楚太阳能电池板串、并联的输出功率特性。
本文首先用实验方法研究了太阳能电池板串、并联的输出功率特性，在此基础上，提出了基于这一特性的实际应用。
在实验室不用钨灯，直接利用太阳光，根据光照强度的强弱，选择太阳能电池板的个数，将太阳能电池板并联，通过转动太阳能电池板方向，使小灯泡亮起来，可作为一演示实验向学生开出；利用太阳能电池板在不用市电的情况下，研究线性电阻、非线性电阻伏安特性等问题。
这样，不仅使学生弄清楚了太阳能电池板串、并联的输出功率特性，而且能有效地激发学生的实验兴趣。
需要说明的是，本研究中用到的仪器为株洲远景新技术研究所研制的YJ-TYN-1太阳能电池基本特性测量仪。
光伏系统的串并联连接方式
光伏发电系统（PV System）是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。
它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。
其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。
光伏发电系统（PV System）是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。
光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。
它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。
其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。
据智研咨询统计：2012年全球光伏发电累计装机达到97GW,2012年全球新增装机30GW，中国新增装机占全球总量的16%以上，随着国家对清洁能源产业的大力扶持，我国光伏发电系统产业将迎来发展高峰期。
是指利用光伏电池的光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，包括光伏组件和配套部件(BOS)。
光伏系统的串并联连接方式光伏组件根据要求可以并联也可以串联，也可以串并联混合连接。
例如用4个12V的PV组件设计一个24V的离网系统。
16个34V的PV组件设计一个由两个串联部分组成的并网系统第二针对逆变器型号连接组件各种型号的逆变器可配对的组件数量是一定的，可以根据逆变器的支路数量来分配各组组件的连接数量，如图所示独立光伏发电系统主要组成部分1. 光伏阵列2. 光伏3. 蓄电池组4. 逆变器5. 监控系统6. 负载并网光伏发电系统主要组成部分1. 光伏阵列2. 并网逆变器3. 公共电网4. 监控系统[3]分布式光伏发电系统主要组成部分1. 光伏阵列2. 直流汇流箱3. 直流配电柜4. 并网逆变器5. 交流配电柜6. 负载7. 公共电网8. 监控系统独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。
太阳能电池及特性
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时，由于光生伏特效应，在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势，即光生电压。
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
量子效率与波长相对应，即与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的
少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量 子效率都是相同的。 而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。
§4.1.1 光生电流
通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为 在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc ： 将太阳电池短路，V=0，则ID=0，所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc ： 太阳能电池开路，输出电流I=0，即Iph=ID：
特性。 在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为
在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 在远离电场的区域，其收集概率将下降。 当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那
么它的收集概率是相当低的。
§4.1.1 光生电流
收集概率： 当载流子在与内建电场外的区域产生时，非平衡少数载流 子边扩散边复合，它扩散到内建电场边界的概率，既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
太阳能电池的特性测量
太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s .2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。
3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。
原理当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1)。
那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。
只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度,总有一定几率扩散到结界面处.在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区,也称为耗尽区。
在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。
只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。
这导致在n 区边界附近有光生电子积累,在p 区边界附近有光生空穴积累.它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。
这一现象称为光伏效应(Photovoltaic effect ）。
图1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。
当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。
同时,由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区,与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I 为两个电流之差:)()(D S U I ΦI I -= （1）如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。
太阳能电池组件串并联结构热斑效应图文分析
太阳能电池组件串并联结构热斑效应图文分析一、太阳能电池组件的热斑效应当太阳能电池组件或某一部分被鸟粪、树叶、阴影覆盖的时候，被覆盖部分不仅不能发电，还会被当作负载消耗其他有光照的太阳能电池组件的能量，引起局部发热，这就是热斑效应。
这种效应能严重地破坏太阳能电池，严重的可能会使焊点熔化、封装材料破坏，甚至会使整个组件失效。
产生热斑效应的原因除了以上情况外，还有个别质量不好的电池片混入电池组件，电极焊片虚焊、电池片隐裂或破损、电池片性能变坏等因素，需要引起注意。
二、太阳能电池组件的串、并联组合太阳能电池方阵的连接有申联、并联和串、并联混合几种方式。
当每个单体的电池组件性能一致时，多个电池组件的串联连接，可在不改变输出电流的情况下，使方阵输出电压成比例的增加；而组件并联连接时，则可在不改变输出电压的情况下，使方阵的输出电流成比例的增加；串、并联混合连接时，即可增加方阵的输出电压，又可增加方阵的输出电流。
但是，组成方阵的所有电池组件性能参数不可能完全一致，所有的连接电缆、插头插座接触电阻也不相同，于是会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件；而各并联电池组件的输出电压又会被其中电压最低的电池组件钳制。
因此方阵组合会产生组合连接损失，使方阵的总效率总是低于所有单个组件的效率之和。
组合连接损失的大小取决于电池组件性能参数的离散性，因此除了在电池组件的生产工艺过程中，尽量提高电池组件性能参数的一致性外，还可以对电池组件进行测试、筛选、组合，即把特性相近的电池组件组合在一起。
例如，串联组合的各组件工作电流要尽量相近，每串与每串的总工作电压也要考虑搭配得尽量相近，最大幅度地减少组合连接损失。
因此，方阵组合连接要遵循下列几条原则：1.串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；2.并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路中串联防反充二极管；3.尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线；4.严格防止个别性能变坏酌电池组件混入电池方阵。
太阳能板串联方法
太阳能板串联方法太阳能板串联是指将多块太阳能电池板连接在一起，以提高总体能量输出。
太阳能板串联方法有多种，下面将介绍其中几种常见的方法。
1. 直接串联法直接串联法是最简单的太阳能板串联方式。
将太阳能板的正极与下一块太阳能板的负极相连，依此类推，直至连接到最后一块太阳能板。
这种方法简单易行，适用于少量太阳能板的串联。
2. 并联串联法并联串联法是将太阳能板均匀地分成若干组，每组内部的太阳能板并联连接，而组与组之间则采用串联连接。
这种方法能够提高系统的稳定性和可靠性，同时也能够充分利用每块太阳能板的能量输出。
3. T形串联法T形串联法是指将太阳能板以T形连接方式串联。
具体做法是，将太阳能板的正极与下一块太阳能板的负极相连，而将第二块太阳能板的正极与第三块太阳能板的负极相连，以此类推。
这种方法可以减少电流的损耗，提高能量输出效率。
4. Y形串联法Y形串联法是将太阳能板以Y形连接方式串联。
具体做法是，将太阳能板的正极和负极分别与下一块太阳能板的正极和负极相连，以此类推。
这种方法可以提高系统的稳定性和可靠性，同时也可以减少电流的损耗。
5. 混合串联法混合串联法是将多种串联方法结合起来使用。
例如，可以使用直接串联法连接一部分太阳能板，再使用并联串联法连接另一部分太阳能板。
这种方法可以根据实际情况灵活选择，以最大程度地提高能量输出效率。
无论采用哪种太阳能板串联方法，都需要注意以下几点：1. 太阳能板的连接必须牢固可靠，以防止电流中断或短路等问题的发生。
2. 在串联过程中，应确保太阳能板的正极与负极正确连接，以避免电流反向流动。
3. 太阳能板的串联总数应根据系统的需求和电压要求进行合理配置，以充分利用太阳能资源。
4. 在选择太阳能板串联方法时，应考虑系统的稳定性、可靠性和能量输出效率等因素。
5. 太阳能板串联后，应进行系统测试和调试，以确保太阳能系统的正常运行。
太阳能板串联是提高太阳能系统总体能量输出的有效方法。
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实验九 太阳电池串并联特性测比
太阳电池单体电池工作电压只有不到1伏，电流数安培，不能直接应用，一般需要进行必要的串联和并联，以达到所需要的电压和电流，本实验就是要测试太阳电池的串联和并联特性，为实际应用打好基础。
一、实验目的
1． 了解恒定光强脉冲法测试太阳电池伏安特性的原理和方法。
2． 了解太阳电池组件I ―V 电性曲线的定性规律。
3． 了解遮挡对太阳电池组件输出性能的影响。
4． 掌握本实验测试器具的使用。
二、仪器及用具
晶体硅太阳电池组件三块、专用电性测试柜一台。
三、原理
太阳电池是一个较大的面结PN 二极管。
其工作电流I 可用下式表示
I = I ph - I 0 [exp(qV ／nkT) - 1] -()
sh
L s R R R I + (2.1)
开路电压表示为 V oc = q
knT
ln[(I sc ／I 0 ) +1] (2.2) 式中
I −− 负载中流过的电流；
I ph −− 由光激发产生载流子所形成的光电流；
q−−一个电子的电量；
V −−电池的工作电压；
n−−结构因子；
k −−玻耳兹曼常数；
T−−电池工作的绝对温度；
V oc−−电池的开路电压；
R s−−电池的串联电阻；
R sh−−电池的并联电阻；
R L−−负载电阻；
I sc−−电池的短路电流。
太阳电池是依据“光生伏打效应”原理工作的。
太阳电池组件则是将太阳单体电池进行串、并联组合而构成的一个整体。
组件的电性能将随单体电池的串、并联数量而与单体电池电性能产生量的变化。
串联时电压叠加，并联时电流叠加，如图9.1和图9.2所示。
恒定光强脉冲测试太阳电池伏安特性工作原理：
通过控制脉冲氙灯的工作电流使得其发光强度在测试时间内维持恒定不变，然后通过电子负载在脉冲恒定的时间内快速测试伏安特性曲线，光脉冲的工作过程如图9.3所示；电子负载的工作原理如图9.4所示。
将其输出接入主电路中，通过调节U i控制恒压输出U o为一确定值，U o在主电路的回路中占具一定的电压降，相当于主电路中接入了一个产生U o电压降的负载。
图9.4电子负载原理图
四、实验装置及内容
图2.3是本实验的装置示意图。
实验过程为：当光源照射被测电池组件时，组件电性能发生变化；则可记录被测组件所对应恒压电子负载所示电压的电流值，于是得到一个工作点，调整电压值，测获相应电流量。
连续多点可绘出组件的I-V曲线。
测量过程中，由于组件持
图2.3 实验装置示意图
续受光的照射，其工作温度便不断增高，其相应的I-V曲线也会发生变化。
实验步骤：
1.将单晶硅电池组件按图
2.3接入线路。
2.将电子负载、光源模拟器接入交流电源，分别闭合相应电源
开关。
3.调节电子负载旋扭，使电压值由大至小；快速测量几个数据
点（包括V oc、I sc和其它几个工作点），同时记录温度对应变
化情况。
4.试判断最佳工作点。
请指导教师认可或校正。
5.继续监测、记录V oc、I sc及对应温度值，直至温度相对稳定时
方可进行下一步。
6.细微节调电子负载的旋扭，使电压值由大到小变化，逐点测
试组件的I-V特性曲线（最好多于10个点）。
7.将所测数据交指导教师审阅认可后在进行下一步，否则重复
上述过程。
8.更换非晶硅电池组件，重复以上步骤。
9.拆除实验电路，整理现场。
五、数据处理
1.把单晶硅组件的测试数据整理、修正后，先画点，在按不同
温度绘制相应的特性曲线，最好能画三条以上曲线。
2.根据曲线试确定不同温度下的最佳工作点P m。
3.比较不同的P m、试定性确定P m与温度变化的关系。
4.对非晶硅组件实测数据，重复上述3个步骤。
5.试比较单、非晶的差异。
六、注意事项
1.电子负载与待测电池组件均属直流耦合，正、负极性是并联
关系勿接反。
2.辐照数据只测一次，仅供参考。
感光探头应放在组件所在位
置的中央。
3.红外测温时速度一定要快，测后立即关闭电性测试柜的门。
测量中切不可直视电光源，以免损伤视觉。
4.单、非晶组件更换时，一定要断开电光源，同时要严防已测
组件高温烫手。
5.单、非晶组件应放在电性测试柜内的相同位置。
七、思考题
1.单体电池与组件的I-V有何差异？
2.比较本实验中I-V特性测试方法与短脉冲半导体电性测量方
法有何不同？
3.比较单晶与非晶硅电池组件I-V特性曲线及电压温度特性曲
线的差异。
4.试计算单晶与非晶硅阳组件电压、电流温度系数。
一.原始数据一号：
二号：
串联遮光：串联不遮光：
并联：
二：结果分析
串联遮光并联
电池一号二号串联不遮
光
串联电阻 4.3966 4.426 8.6264 27.144 2.207
并联电阻5842.2 1092.1 2043.1 1554.7 24632E10 填充因子0.72746 0.71054 0.7195 0.40492 0.87029
23.274 23.448 46.706 46.543 23.36
开路电压
/V
0.59486 0.61073 0.60178 0.60926 0.88922 短路电流
/mA
10.071 10.175 20.223 11.482 18.078
最大功率
/w
从表格中看出：
二号并联电阻明显小于一号，其性能比一号要好。
而串联不遮光情况下，串并联电阻基本也是两块电池的串并联电阻进行串联与并联的结果；而填充因子也是二者之间的值；
而遮光情况下，对性能影响很大，填充因子和最大功率均明显下降，而开路电压短路电流却没有明显影响；
并联情况下并联电阻急剧增大，导致实际电流小于二者电流之和，对最大功率影响较大，而填充因子出现明显增长。
从并联的伏安特性曲线可以看出其电流在电压达到20V左右，明显下降，且下降速率要明显快于其他情况，所以填充因子有了较大提升。
三．思考题
1.单体电池与组件的I-V有何差异？
2.比较本实验中I-V特性测试方法与短脉冲半导体电性测量方法
有何不同？
3.比较单晶与非晶硅电池组件I-V特性曲线及电压温度特性曲线
的差异。
4.试计算单晶与非晶硅阳组件电压、电流温度系数。
解答：
1.单体是通过串联和并联构成组件，其电压电流也满足电压电流
的串并联定理，I-V特性也满足这一定理。
2.本实验的方法不如短脉冲半导体电性测量方法稳定。
3.两者在温度一定是电压升高电流都会下降，温度升高电压也会
下降，不同在于温度对单晶的影响更大。
4.非晶器件的电压-温度系数为-0.06V/C，单晶器件的电压-温度系
数为-0.05V/C.。