太阳能电池光伏特性研究

1、太阳能光伏电池特性实验研究太阳能光伏电池的输出具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度、温度等）以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，从而使得太阳能电池的输出功率发生变化，其实际转换效率受到一定限制。因此，对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了一个重要课题1。与跟踪式太阳能光伏系统相比，固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。太阳能光伏电池表面温度将随辐射能的增强而升高，在一定程度上影响了太阳能电板的输出功率。本文主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进行了实验研究。1、理论分析理想的太阳能电池可以看做是一个产生光生电流Iph的恒流源与一个处于正向偏置的二极管并联，如图1所示。

2、如果负载RL短路了，电路只有光生电流Iph，光强越强，电子-空穴对的产生率越高，光生电流Iph越大，即短路电流Isc为： Isc=-Iph （1）II图1 理想太阳能电池等效电路2如果负载RL不短路，那么P-N结内流过的电流Id方向与光生电流方向相反，会抵消部分光生电流，使少数载流子注入和扩散。太阳能电池输出的净电流I是光生电流Iph和二极管电流Id之差，故太阳能电池的光伏I-V特性可表示为： éæqVöùI=Iph-Id=Iph-IOêexpç÷-1ú nkTèøûë（2）

3、 式中：Io反向饱和电流；n理想因子，由半导体材料和制造技术决定，n=12；V二极管电压；k波尔兹曼常数；q电子电量；T二极管绝对温度。当电流I=0时，这意味着产生的光生电流Iph正好等于光电压Voc产生的二极管电流Id，即Iph=Id。从式（2）可得出Voc为：VOCnkTéIphù=Inê+1ú qëI0û（3）I-V特性曲线是测量太阳能电池参数的常用曲线。电池的开路电压Voc由I-V曲线与V轴的交点（I=0）给出。对于给定的光强、工作温度和受光面积，太阳能电池的输出特性受短路电流Isc和开路电压Voc两个主要参数的限制。光伏电池

4、输出功率受多个因素的影响，尤其取决于照射到其表面的太阳辐射量。硅材料只能最大限度地吸收一定波长的太阳光辐射，太阳光中波长小于1.1m的光才具有足够的能量产生电子-空穴对，大于1.1m的长波则转变为热量。由式（1）和式（3）可知：在温度恒定的情况下，短路电流随光强线性增加，开路电压随光强呈对数增加，电池的理想效率随光强的增加而增加3。2、实验结果及分析 2.1伏安特性实验实验1在太阳辐射强度变化不大的条件下，选择合适的倾角，从0到100逐渐改变负载电阻值，记录负载两端电压及流过负载的电流。当太阳辐射为938.8W×m-2，环境温度为39.5时，实验结果如图2至图5所示。电压 / V电流

5、 /A图3 电压随负载变化关系图 负载 / 图2 电流随负载变化关系图负载 / 图5 太阳能电池伏安特性曲线 电压 / V图4功率随负载变化关系图负载 / 从图2、图3中可以看出，通过负载的电流随着负载的增大而减小，负载两端的电压随负载的增大而增大。负载在015之间变化时，随着负载的增大，功率 / W功率 / W电流急剧减小，电压急剧增大，负载在1145之间变化，电流和电压变化比较缓慢，当负载大于45时，电流逐渐趋近于0，电压逐渐趋近开路电压。从图4中可以看出，太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在06之间变化时，输出功率随负载增大急剧升高，在负载为6左右时功率达到最大值39.7

6、6W，负载从6增大到40过程中，功率下降明显，40时输出功率为8.16W，已经降至最大输出功率的20%。图5为太阳能电池的伏安特性曲线及功率随电压变化曲线，从图中可以看出，当电压在0-14V之间变化时，电流变化不大，输出功率随着电压的增大缓慢增大，电压大于14V后继续增大负载，电流迅速减小，且功率随着电流的减小而减小，即电压约为14V时输出功率达到最大值，该点即为最大输出功率点。2.2照度特性实验实验2测试不同环境温度下太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Isc随太阳辐射强度变化规律，分析不同环境温度下太阳辐射对太阳能电池输出功率的影响。实验结果如图6、图7所示。短路电流 / A2 图6短路电

7、流随太阳辐射变化关系 太阳辐射 / W/m2图7 开路电压随太阳辐射变化关系 太阳辐射 / W/m在图6中将散点的实验值进行拟合，即可得到电流与太阳辐射强度的拟合曲线。从图中可以看出：不同环境温度下短路电流都随着太阳辐射的增大而增大，且呈现出线性关系。太阳辐射强度相同时，不同环境温度下短路电流不同。从拟合的直线可以看出不同环境温度对应不同的斜率。在太阳辐射强度相同的条件下，环境温度越高短路电流越大，太阳辐射越大这种差异越明显。图7为开路电压随太阳辐射变化关系，从图中可以看出：太阳辐射强度在300W×m-2-900W×m-2之间变化时开路电压在18V上下波动；太阳辐射强度小于

8、300W×m-2时开路电压略有下降。相同太阳辐射强度下，与短路电流相反，环境温度越高则开路电压越低。理论上，开路电压随光强呈对数增加，弱光时开路电压随光照强度增加很快，但是强光时趋于饱和4。由于实验条件限制，对于太阳辐射强度低于200W×m-2的开路电压没有做测量。3、结论本文以太阳能光伏发电为研究背景，采用理论分析和实验测试相结合的研究方法，借助现代先进的测试技术，对太阳能单晶硅电池性能进行了分析与探讨。本文的工作结论总结如下：1、太阳能电池的输出功率随负载的增大先增大再减小。负载在06之间变化时，输出功率随负载增大急剧升高，在负载约为6时功率达到最大值39.76W，负载

9、从6增大到40过程中，功率下降明显，40时输出功率为8.16W，已经降至最大输出功率的20%。根据实验绘制的伏安特性曲线可以得到太阳能电池的最大功率点。2、太阳能光伏电池的输出功率与太阳辐射强度有关。短路电流Isc随太阳辐射强度的增大而线性增加，开路电压Voc随太阳辐射强度的增大呈对数增加，且弱光时开路电压随光照强度增加很快，强光（>300W×m-2）时趋于饱和。3、太阳能光伏电池的输出功率与温度有关。在太阳辐射强度一定的条件下，短路电流Isc随着太阳能电池温度的升高而增加，开路电压Voc则随温度的升高而减小。因此，太阳能电池的安装位置应当在没有阴影遮蔽日照最多的地方，并且应尽量保证电池上、下两面的空气流通以保持尽可能低的温度。 1 张利, 光伏电池特性研究D. 华北电力大