任務二　太陽能電池電流-電壓曲線應用技術

一、太陽能電池電流-電壓曲線基礎知識

硅太陽能電池是利用半導體光生伏特效應做成的半導體器件。光照射到電池上可呈現多種不同的情形，為了盡可能將太陽能電池的能量轉換效率最大化，必須設計使之得到最大的吸收以及反射后的吸收。而當太陽光照射到電池上時，電池的電壓與電流的關系（即伏安特性）可以簡單用圖1-2-1所示的特性曲線來表示，圖中，U_OC為開路電壓；I_SC為短路電流；U_mp為最佳工作電壓；I_mp為最佳工作電流。

最佳工作點對應電池的最大出力P_m，其最大值由最佳工作電壓與最佳工作電流的乘積得到。實際使用時，電池的工作受負載條件、日照條件的影響，工作點會偏離最佳工作點。

（1）開路電壓U_OC

光伏電池電路將負荷斷開，測出兩端電壓，即I=0，此時的電壓稱為開路電壓。

（2）短路電流I_SC

光伏電池的兩端是短路狀態時測定的電流，即U=0，此時的電流稱為短路電流。

太陽能電池（組件）的電壓上升時，例如，通過增加負載的電阻值或電池（組件）的電壓從零（短路條件下）開始增加時，電池（組件）的輸出功率亦從零開始增加；當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至零，即電壓達到開路電壓U_OC。電池（組件）輸出功率達到最大的點，稱為最大功率點；該點所對應的電壓，稱為最大功率點電壓U_mp，又稱為最大工作電壓；該點所對應的電流，稱為最大功率點電流，又稱為最大工作電流I_mp；該點的功率，則稱為最大功率P_m。

二、太陽能電池負載電流的計算

太陽能電池的電路及等效電路如圖1-2-2所示。其中R_L為電池的外負載電阻。當R_L=0時，所測得的電流為電池的短路電流。所謂短路電流I_SC，就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。測量短路電流的方法，是用內阻小于1Ω的電流表接在太陽能電池的兩端。I_SC值與太陽能電池的面積大小有關，面積越大，電流越大。一般來說，1cm²硅太陽能電池的I_SC值為16～30m A。

在100m W/cm²的光譜輻射照度下，硅太陽能電池的開路電壓為450～600m V，最高可達690m V。當入射光譜輻照度變化時，太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數成正比，當環境溫度升高時，太陽能電池的開路電壓值將下降，一般溫度每上升10℃，U_OC值約下降2～3m V。

I_D（二極管電流）為通過p-n結的總擴散電流，其方向與I_SC相反。R_S為串聯電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。

同一塊太陽能電池，其I_SC與入射光的輻照度成正比；當環境溫度升高時，I_SC值略有上升，一般溫度每升高10℃，I_SC值約上升78μA。當R_L→∞時，所測得的電壓為電池的開路電壓。所謂開路電壓U_OC，就是將太陽能電池置于100m W/cm²的光源照度下，在兩端開路時太陽能電池的輸出電壓值。可用高內阻的直流毫伏計測量電池的開路電壓。

太陽能電池的開路電壓，與光譜輻照度直接相關，與電池面積的大小無關。

R_sh為旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池，串聯電阻R_S很小，而并聯電阻R_sh很大。由于R_S和R_sh是分別串聯和并聯在電路中的，所以在進行理想的電路計算時，它們可以忽略不計。此時，流過負載的電流為I_L為：

I_L=I_SC-I_D

理想的p-n結特性曲線方程為：

式中　I_D——太陽能電池在無光照時的飽和電流，A；

q——電子電荷，C；

e——自然對數的底；

K——玻爾茲曼常數；

T——熱力學溫度，K；

A——常數因子（正偏電壓大時A值為1，正偏電壓小時A值為2）。

當I_L=0時，電壓U即為U_OC，可用下式表示

根據以上兩式作圖，可得到太陽能電池的電流-電壓關系曲線，如圖1-2-3所示。其中，P_m與I_SCU_OC之比，被稱作理因子FF，是一個無單位的量，是衡量電池性能的一個重要指標。理想因子為1被視為理想的電池特性。

這個曲線，可簡稱為I-U曲線，或伏-安曲線。圖1-2-4中，曲線1，是二極管的暗伏-安關系曲線，即無光照時太陽能電池的I-U曲線；曲線2，是電池接受光照后的I-U曲線，它可由無光照時I-U曲線向第四象限位移I_SC得到。經過坐標交換，最后可得到常用的光照太陽能電池的電流-電壓特性曲線，如圖1-2-4所示。

太陽能電池的電流-電壓特性曲線顯示了通過太陽能電池（組件）傳送的電流I_m與電壓U_m在特定的太陽輻照度下的關系。

如果太陽能電池（組件）電路短路，即U=0，此時的電流為短路電流I_SC；如果電路開路，即I=0，此時的電壓為開路電壓U_OC。太陽能電池（組件）的輸出功率等于流經該電池（組件）的電流與電壓的乘積，即P=UI。因太陽能電池板伏安特性測試受太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽能電池（組件）的工作溫度影響。其標準條件是：光譜輻照度1000W/m²，光譜AM1.5；電池溫度25℃。因受條件限制，實訓設備測試出的伏安特性曲線可能和標準的有差異。

三、太陽能電池板伏安特性曲線及最大功率輸出點的測試實訓步驟

①合上主控制屏空氣開關，啟動控制屏。

②在主控制屏上“模擬光源控制部分”合上開關“SD1、SD2、SD3”，將3盞模擬光源燈打開，之前應合上“SF1、SF2、SF3”，將冷卻用風扇打開。將太陽能電池板固定于某一位置（固定輻照度）。

③斷開K1、K2，按圖1-2-5連接實訓線路。

④測量太陽能電池板端電壓隨負載電阻變化情況，當負載電阻為0時，測得短路電流I_SC，負載電阻為無窮大時，測得開路電壓U_OC。

具體可通過增加負載的電阻或電池（組件）的電壓，使電壓從零（短路條件下即R_L=0）開始緩慢增加（增大電阻阻值），隨著負載電阻的增大，電路中的電流將逐漸減小，太陽能電池板的端電壓逐漸增大，電流與電壓初時成線性關系。記錄不同R_L值時的A₁和V₁值，繪制伏安特性曲線。

【練習題】

（1）按實訓原理要求，繪制太陽能電池板的伏安特性曲線。

（2）查找相關資料，對比實訓設備所測試的伏安特性曲線與標準的伏安特性曲線有何區別？產生這些區別的原因是什么？

（3）為什么理想因子的最大值不可能達到1？