知道这些元件的伏安特性，对正确地使用它们至关重要。伏安法是电学中常用的一种基本测量方法。掌握测量伏安特性的基本方法、线路特点及伏安法测量电阻的误差估计。以电压为横坐标，电流为纵坐标的电压—电流关系曲线，称为该电学元件的伏安特性曲线。电学元件的伏安特性曲线如图5-2所示。测量半导体二极管的正向和反向伏安特性。本实验室所用的电压表和电流表的内阻值和测量精度见表5-5。......
2023-11-02
太阳能电池的电学特性解析
【摘要】：V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流I m与电压V m在特定的太阳辐照度下的关系。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。
3.1.3.1 标准测试条件
（1）AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。
（2）光源光谱辐照度：1000W/m2。
（3）测试温度：25±2℃。
（4）输出功率误差：±5%。
（1）AM0标准的太阳光谱辐照度分布。
（2）光源的光谱辐照度：1367W/m2。
（3）测试温度：25±1℃。
3.1.3.2 太阳能电池的等效电路
为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。
（1）恒流源：在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳能电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看做是恒流源，产生的光生电流为I L。
（2）暗电流I bk：光电流一部分流经负载R L，在负载两端建立起端电压U，反过来，它又正向偏置于PN结，引起一股与光电流方向相反的暗电流I bk。
这样，一个理想的PN同质结太阳能电池的等效电路就被绘制成如图3-4所示。在不考虑太阳能电池本身电阻的情况下，该等效电路如图3-4（a）所示。
实际上太阳能电池还有本身电阻，一类是串联电阻，另一类是并联电阻（又称旁路电阻），前者主要由于半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻四个部分产生，描述为串联电阻R s，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式，串联电阻通常小于1Ω，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗；后者是由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电或耗尽区内的复合电流等原因产生的旁路电阻R sh，一般为几千欧，该电阻使一部分本应通过负载的电流短路。于是得到实际的太阳能电池等效电路图3-4（b）。
图3-4 太阳能电池等效电路图
当流进负载R L的电流为I，负载R L的端电压为U时，可得：
图3-5 太阳能电池的伏安特性曲线
I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流；V-电压；Voc-电压；Vm-最大工作电压
3.1.3.3 太阳能电池的主要技术参数
1.伏安特性曲线
组件的伏安特性主要是指电流-电压输出特性，也称为V-I特性曲线，如图3-5所示。V-I特性曲线可根据图3-4所示的电池结构图加入仪表进行测量。V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流I m与电压V m在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时的电流称为短路电流I sc；如果电路开路即I=0，此时的电压称为开路电压V oc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V×I。
2.最大功率点
当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压V oc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。组件输出功率的最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压V m（又称为最佳工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流I m（又称为最佳工作电流）；该点的功率，称为最大功率P m。
随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1℃每片电池的电压减少5m V，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳能电池温升过高，也可能不会输出很大功率。
在标准条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，用符号W p表示。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构标准化的太阳能电池进行比较。
通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。
连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。
3.开路电压
将太阳能电池置于1000W/m2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值，用U oc表示。该值与电池面积大小无关，一般单晶硅太阳能电池的开路电压约为450～600m V，最高可达700m V。
4.短路电流
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，用I sc表示。该值与电池面积大小有关，面积越大，I sc越大，一般1cm2的单晶硅太阳能电池I sc=16～30m A。
5.填充因子
太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，是用以衡量太阳能电池输出特性好坏的重要指标之一。
FF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。FF的值始终小于1。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少得越多，并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降得越多，填充因子随之也下降得越多。
6.转换效率
太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。
式中 A t——包括栅线图形面积在内的太阳能电池总面积。
单位面积入射光功率：
在上式中，如果把A t换为有效面积A a（也称活性面积），即从总面积中扣除栅线图形面积，从而算出的效率要高一些。
估计太阳能电池的理论效率，必须把从入射光能到输出电能之间所有可能发生的损耗都计算在内。其中有些是与材料及工艺有关的损耗，而另一些则是由基本物理原理所决定的。
综上所述，提高太阳能电池效率，必须提高开路电压U oc、短路电流I sc和填充因子FF这三个基本参量。而这三个参量之间往往是互相牵制的，如果单方面提高其中一个，可能会因此而降低另一个，以至于总效率不仅没提高反而有所下降。因而在选择材料、设计工艺时必须全盘考虑，力求使三个参量的乘积最大。
3.1.3.4 温度对太阳能电池输出性能的影响
温度对太阳能电池的影响主要体现在太阳能电池的开路电压、短路电流、峰值功率随温度的变化而变化。
（1）温度越高开路电压越小。决定开路电压大小的是半导体的禁带宽度和费米能级，由于温度越高，其费米能级越靠近价带，所以温度越高开路电压越小，也就是说，温度—开路电压二者的曲线大概是一个斜率为负值的直线，这个在太阳能组件认证的过程中叫做检测太阳能组件的电压温度系数。
（2）温度越高短路电流越大。但是需要注意的是这里短路电流升高的趋势要小于上面第一条中开路电压下降的趋势，也就是说温度—短路电流二者的曲线是一个斜率略微为正值的直线，在太阳能组件认证的检测中这个叫做检测太阳能电池的电流温度系数。
（3）因为温度升高的时候开路电压下降很厉害，其幅度比短路电流升高的幅度要大，所以在温度升高的时候其总输出功率是下降的，因为P=UI，U下降得厉害，而I上升的幅度很小。
总的来说，温度升高太阳能电池的功率下降，典型功率温度系数为-0.35%/℃，即太阳能电池温度每升高1℃，功率减少0.35%。
3.1.3.5 太阳能电池组件的“热斑效应”
如果太阳能电池组件被其他物体（如鸟粪、树荫等）长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重的破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗（图3-6）。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。同样，对于每一个并联支路，需要串联一只二极管，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的作用（图3-7）。
图3-6 电池被遮蔽的情况下对整个电池组件性能的影响
图3-7 太阳能电池组件“热斑效应”的防护
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