2.2 光伏單體電池的發電特性

2.2.1 單體電池參數

【任務說明】

單體電池是電池方陣的最小單元，經過串并聯可達到用戶需要的電池方陣結構。單體電池的選擇主要以短路電流、開路電壓、峰值電流、峰值電壓、峰值功率5個基本參數為依據，進而組合成所需的電池方陣。本節主要學習單體電池的參數特性。

【任務實施】

1.電池組件與單體電池

光伏電池組件是把多個單體的光伏電池片，根據需要串并聯起來，并通過專用材料和專門的生產工藝進行封裝后形成的產品。單體電池與電池組件的區別如下。

1）單體光伏電池機械強度差，厚度只有2μm左右，薄而易碎。

2）光伏電池易腐蝕，若直接暴露在大氣中，電池的轉換效率會受到潮濕、灰塵、酸堿物質、冰雹、風沙以及氧氣等的影響而下降，電池的電極也會被氧化、銹蝕脫落甚至會導致電池失效。

3）單體光伏電池的輸出電壓、電流和功率都很小，工作電壓只有0.48～0.5V，由于受硅片材料尺寸的限制，單體光伏電池片輸出功率最大也只有3～4W，遠不能滿足實際應用的需求。

目前太陽能光伏發電系統采用的光伏電池組件主要以晶體硅材料為主（包括單晶硅和多晶硅），因此本節將主要介紹晶體硅光伏電池的參數，主要包括短路電流、開路電壓、峰值電流、峰值功率、填充因子，并認識光伏電池的電能輸出特性。

2.單體電池參數分析

（1）短路電流I_s

當將光伏電池的正負極短路，使電池輸出電壓為零，此時的電流就是單體光伏電池的短路電流，短路電流的單位是A（安），短路電流隨著光的強度的變化而變化。

（2）開路電壓U_o

當將光伏電池的正負極不接負載，即I=0時，此時光伏電池正負極間的電壓就是開路電壓，開路電壓的單位是V（伏）。單體光伏電池的開路電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般為0.5～0.7V。

（3）峰值電流I_m

峰值電流也叫最大工作電流或最佳工作電流。峰值電流是指單體光伏電池輸出最大功率時的工作電流，峰值電流的單位是A（安）。

（4）峰值電壓U_m

峰值電壓也叫最大工作電壓或最佳工作電壓。峰值電壓是指單體光伏電池輸出最大功率時的工作電壓，峰值電壓的單位是V（伏）。單體光伏電池峰值電壓不隨電池片面積的增減而變化，一般為0.45～0.5V，典型值為0.48V。

（5）峰值功率P_m

峰值功率也叫最大輸出功率或最佳輸出功率。峰值功率是指光伏電池片正常工作或測試條件下的最大輸出功率，也就是峰值電流與峰值電壓的乘積：P_m=I_mU_m。峰值功率的單位是W（瓦）。光伏電池的峰值功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和電池片的工作溫度，因此光伏電池的測量要在標準條件下進行，測量標準為歐洲委員會的101號標準，其條件是：輻照度1kW/m²、光譜AMl.5、測試溫度25℃。

（6）填充因子33

填充因子也叫曲線因子，是指光伏電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，計算公式為

填充因子是用來評價光伏電池輸出特性的。

注：上述參數的測量條件都為標準光照下所獲得。

2.2.2 單體電池輸出特性分析

【任務說明】

光伏單體電池是光伏電池方陣的組成單元，光伏發電最大功率跟蹤是光伏發電系統應用的關鍵問題，如何獲取光伏電池方陣的最大功率，就必須對單體電池的輸出特性進行認識和理解。

【任務實施】

1.光伏電池光照情況下的電流電壓關系（亮特性）

光生少數載流子在內建電場驅動下定向地運動，在PN結內部產生了N區指向P區的光生電流I_L，光生電動勢等價于加載在PN結上的正向電壓V，它使得PN結勢壘高度降低。開路情況下光生電流與正向電流相等時，PN結處于穩態，兩端具有穩定的電勢差U_oc，這就是光伏電池的開路電壓U_oc。如圖2-16所示，在閉路情況下，光照作用會有電流流過PN結，顯然PN結相當于一個電源。

圖2-16 光伏電池等效電路圖

I_PH為光伏電池內部的光生電流，與光伏電池輻照強度、受光面積成正比。I_D為光伏電池內部暗電流，其反映光伏電池自身流過PN結的單向電流；I_L為光伏電池輸出流過負載的電流；I_SH為PN結的漏電流；R_SH為光伏電池內部的等效旁路電阻，其值較大，一般可達幾千歐姆；R_S為光伏電池內部等效串聯電阻，其值一般較小，小于1Ω；U_L為負載兩端電壓。

光電流I_L在負載上產生電壓降，這個電壓降可以使PN結正偏。從圖2-16可知，其中流過負載的電流：

式中，I_O為光伏電池內部等效二極管的PN結反向飽和電流，近似常數，不受光照強度影響；I_sc為光伏電池內部的短路電流。從前可知，R_SH阻值較大且R_S的電阻較小，所以上式可以變換為：

I_L=I_PH-I_D-I_SH≈I_PH-I_D

所以光伏電池輸出功率可表示為：

式中，q為電子電荷，q=1.6×10^-19C；K為波爾茲曼常數，K=1.38×10^-23J/K；A為光伏電池內部PN結的曲線常數。

開路電壓U_oc和短路電流I_sc是光伏電池的兩個重要參數。這兩個參數通過穩定光照下光伏電池I-U特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。隨著光照強度的增大，光伏電池的短路電流和開路電壓都會增大，但是變化的規律不同。短路電流I_sc與光照強度成正比，開路電壓U_oc隨著光照強度呈對數式增大。此外，從光伏電池的工作原理考慮，開路電壓U_oc不會隨著光照強度增大而無限增大，它的最大值是使得PN結勢壘為0時的電壓值。換句話說光伏電池的最大光生電壓為PN結的勢壘高度U_D，是一個與材料帶隙、摻雜水平等有關的值。實際情況下最大開路電壓值與材料的帶隙寬度相當。

2.光伏電池的效率

光伏電池本質上是一個能量轉化器件，它把光能轉化為電能。因此研究光伏電池的效率是非常必要的。根據熱力學原理，任何能量的轉化過程都存在效率問題，實際的能量轉化過程效率不可能是100%的。就光伏電池而言，需要知道轉化效率和哪些因素有關，從而提高光伏電池的效率，最終滿足生產生活的要求。光伏電池的轉換效率η定義為：輸出電能P_m和入射光能P_in的比值，公式如下所示：

其中I_mU_m在I—U關系中構成一個矩形，叫作最大功率矩形。圖2-17所示的光特性I—U曲線與電流、電壓軸交點分別是短路電流和開路電壓。最大功率矩形取值點P_m的物理含義是太陽能電池最大輸出功率點，數學上是I—U曲線上坐標相乘的最大值點。短路電流和開路電壓也自然構成一個矩形，面積為I_scU_oc，定義為占空系數，圖形中它是兩個矩形面積的比值。占空系數反映了光伏電池可實現功率的度量，占空系數一般在0.7～0.8之間。

圖2-17 光特性的I—U曲線

光伏電池本質上是一個PN結，因而具有一個確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發光生載流子并繼而發生光電轉化。因此，入射到光伏電池的太陽光光子能量只有高于禁帶寬度的部分才會實現能量的轉化。硅系光伏電池的最大效率是28%左右。對光伏電池效率有影響的還有其他很多因素，如大氣對太陽光的吸收、表面保護涂層的吸收、反射、串聯電阻熱損失等。綜合考慮起來，光伏電池的能量轉換效率在10%～20%之間。

為了提高單位面積的光伏電池的輸出功率，可以采用通過光學透鏡集中太陽光的方法。太陽光強度可以提高幾百倍，短路電流線性增大，開路電流也呈指數式增大。不過經過具體的理論分析發現，光伏電池的效率隨著光照強度的增大不是急劇增大，而是有輕微增大。考慮到透鏡的價格與光伏電池比相對低廉，因此采用透鏡集中的方式也是一個有優勢的技術選擇。

3.光伏電池光譜響應

光譜響應表示不同波長的光子產生電子-空穴對的能力。定量地說，光伏電池的光譜響應就是當某一波長的光照射在電池表面時，每一光子平均所能收集到的載流子數。光伏電池的光譜響應又分為絕對光譜響應和相對光譜響應。各種波長的單位輻射光能或對應的光子入射到光伏電池上，將產生不同的短路電流，按波長的分布求得其對應的短路電流變化曲線稱為光伏電池的絕對光譜響應。如果每一波長以等量的輻射光能或等光子數入射到光伏電池上，所產生的短路電流與其中最大短路電流比較，按波長的分布求得其比值變化曲線，這就是該光伏電池的相對光譜響應。但是，無論是絕對還是相對光譜響應，光譜響應曲線峰值越高、越平坦，對應電池的短路電流密度就越大，效率也越高。

從光伏電池的應用角度來說，光伏電池的光譜響應特性與光源的輻射光譜特性相匹配是非常重要的，這樣可以更充分地利用光能和提高光伏電池的光電轉換效率。例如，有的光伏電池在太陽光照射下能確定轉換效率，但在熒光燈這樣的室內光源下就無法得到有效的光電轉換。不同的光伏電池與不同的光源的匹配程度是不一樣的。而光強和光譜的不同，會引起光伏電池輸出的變動。

4.光伏電池溫度特性

除了光伏電池的光譜特性外，溫度特性也是光伏電池的一個重要特征。對于大部分光伏電池，隨著溫度的上升，短路電流上升，開路電壓減少，轉換效率降低。圖2-18為非晶硅光伏電池片輸出特性隨溫度變化的一個例子。

圖2-18 不同溫度時非晶硅光伏電池片的輸出特性

a）I—U特性曲線 b）P—U特性曲線

表2-1給出了單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏電池輸出特性的溫度系數（溫度變化1℃對應參數的變化率，單位為%/℃）測定的一次實驗結果。可以看出，隨著溫度變化開路電壓變小，短路電流略微增大，導致轉換效率變低。單晶硅與多晶硅轉換效率的溫度系數幾乎相同，而非晶硅因為它的間隙大而導致它的溫度系數較低。

表2-1 單晶硅、多晶硅與非晶硅光伏電池隨溫度變化的變化率

注：表中的數值表示溫度變化1℃的變化率/（%/℃）。

在光伏電池板實際應用時必須考慮它的輸出特性受溫度的影響，特別是室外的光伏電池，由于陽光的作用，太陽能電池在使用過程中溫度變化會比較大，因此溫度系數是室外使用光伏電池板時需要考慮的一個重要參數。