任务二　太阳能电池电流-电压曲线应用技术

一、太阳能电池电流-电压曲线基础知识

硅太阳能电池是利用半导体光生伏特效应做成的半导体器件。光照射到电池上可呈现多种不同的情形，为了尽可能将太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到最大的吸收以及反射后的吸收。而当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系（即伏安特性）可以简单用图1-2-1所示的特性曲线来表示，图中，U_OC为开路电压；I_SC为短路电流；U_mp为最佳工作电压；I_mp为最佳工作电流。

最佳工作点对应电池的最大出力P_m，其最大值由最佳工作电压与最佳工作电流的乘积得到。实际使用时，电池的工作受负载条件、日照条件的影响，工作点会偏离最佳工作点。

（1）开路电压U_OC

光伏电池电路将负荷断开，测出两端电压，即I=0，此时的电压称为开路电压。

（2）短路电流I_SC

光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，即U=0，此时的电流称为短路电流。

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电池（组件）的电压从零（短路条件下）开始增加时，电池（组件）的输出功率亦从零开始增加；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U_OC。电池（组件）输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压U_mp，又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流，又称为最大工作电流I_mp；该点的功率，则称为最大功率P_m。

二、太阳能电池负载电流的计算

太阳能电池的电路及等效电路如图1-2-2所示。其中R_L为电池的外负载电阻。当R_L=0时，所测得的电流为电池的短路电流。所谓短路电流I_SC，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。测量短路电流的方法，是用内阻小于1Ω的电流表接在太阳能电池的两端。I_SC值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，电流越大。一般来说，1cm²硅太阳能电池的I_SC值为16～30m A。

在100m W/cm²的光谱辐射照度下，硅太阳能电池的开路电压为450～600m V，最高可达690m V。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升10℃，U_OC值约下降2～3m V。

I_D（二极管电流）为通过p-n结的总扩散电流，其方向与I_SC相反。R_S为串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。

同一块太阳能电池，其I_SC与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，I_SC值略有上升，一般温度每升高10℃，I_SC值约上升78μA。当R_L→∞时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压U_OC，就是将太阳能电池置于100m W/cm²的光源照度下，在两端开路时太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。

太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度直接相关，与电池面积的大小无关。

R_sh为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻R_S很小，而并联电阻R_sh很大。由于R_S和R_sh是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路计算时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流为I_L为：

I_L=I_SC-I_D

理想的p-n结特性曲线方程为：

式中　I_D——太阳能电池在无光照时的饱和电流，A；

q——电子电荷，C；

e——自然对数的底；

K——玻尔兹曼常数；

T——热力学温度，K；

A——常数因子（正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2）。

当I_L=0时，电压U即为U_OC，可用下式表示

根据以上两式作图，可得到太阳能电池的电流-电压关系曲线，如图1-2-3所示。其中，P_m与I_SCU_OC之比，被称作理因子FF，是一个无单位的量，是衡量电池性能的一个重要指标。理想因子为1被视为理想的电池特性。

这个曲线，可简称为I-U曲线，或伏-安曲线。图1-2-4中，曲线1，是二极管的暗伏-安关系曲线，即无光照时太阳能电池的I-U曲线；曲线2，是电池接受光照后的I-U曲线，它可由无光照时I-U曲线向第四象限位移I_SC得到。经过坐标交换，最后可得到常用的光照太阳能电池的电流-电压特性曲线，如图1-2-4所示。

太阳能电池的电流-电压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U_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U=0，此时的电流为短路电流I_SC；如果电路开路，即I=0，此时的电压为开路电压U_OC。太阳能电池（组件）的输出功率等于流经该电池（组件）的电流与电压的乘积，即P=UI。因太阳能电池板伏安特性测试受太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池（组件）的工作温度影响。其标准条件是：光谱辐照度1000W/m²，光谱AM1.5；电池温度25℃。因受条件限制，实训设备测试出的伏安特性曲线可能和标准的有差异。

三、太阳能电池板伏安特性曲线及最大功率输出点的测试实训步骤

①合上主控制屏空气开关，启动控制屏。

②在主控制屏上“模拟光源控制部分”合上开关“SD1、SD2、SD3”，将3盏模拟光源灯打开，之前应合上“SF1、SF2、SF3”，将冷却用风扇打开。将太阳能电池板固定于某一位置（固定辐照度）。

③断开K1、K2，按图1-2-5连接实训线路。

④测量太阳能电池板端电压随负载电阻变化情况，当负载电阻为0时，测得短路电流I_SC，负载电阻为无穷大时，测得开路电压U_OC。

具体可通过增加负载的电阻或电池（组件）的电压，使电压从零（短路条件下即R_L=0）开始缓慢增加（增大电阻阻值），随着负载电阻的增大，电路中的电流将逐渐减小，太阳能电池板的端电压逐渐增大，电流与电压初时成线性关系。记录不同R_L值时的A₁和V₁值，绘制伏安特性曲线。

【练习题】

（1）按实训原理要求，绘制太阳能电池板的伏安特性曲线。

（2）查找相关资料，对比实训设备所测试的伏安特性曲线与标准的伏安特性曲线有何区别？产生这些区别的原因是什么？

（3）为什么理想因子的最大值不可能达到1？