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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
I
ph
的恒流源与一个处于正
向偏置的二极管并联，
如图
1
所示。
如果负载
R
L
短路了，
电路只有光生电
流
I
ph
，
光
强越强，电子
-
空穴对的产生率越高，光生电流
I
ph
越大，即短路电流
I<
/p>
sc
为：
<
/p>
I
sc
?
?
I
ph
（
1
）
I
ph
U
I
d
R
L
I
图
1
理想太阳能电池等效电路
[2]
如果负载
R
L
不短
路，
那么
P-N
结内流过的电流
I
d
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
I
ph
和二极管电流
I
d
之差，故太阳能电池的光伏
I-V
特性可表示为：
?
?
qV
?
?
I
?
I
ph
?
I
d
?
I
< br>ph
?
I
O
?
exp
?
?
?
1
?
nkT
?
?
?
?
（
2
）
<
/p>
式中：
I
o
——
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=1~2
；
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
I
ph
正好等于光电压
V
oc
产生的
二极
管电流
I
d
，即
I
ph
=
I
d
。从式（
2
）可得出
V
oc
为：
V
OC
nkT
?
I
ph
?
?
In
?
?
1
?
q
?
I
0
?
（
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
V
oc
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
I
sc
和开路电压
V
oc
两个主要参数的限制。
光伏电池输出
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
1.1μm
的光才具有足够的能量产生电子
-
空穴对，
大于
1.1μm
的长波则转变为热
量。
由式
（
1
）<
/p>
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
0Ω
到
100Ω
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
938.8
W
?
m
-2
，环境温度为
< br>39.5
℃
时，实验结果如图
2
至图
5
所示。
4.0
3.5
3.0
< br>18
16
14
12
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
电
压
/
V
电
流
/
A
10
8
6
4
2
0
图
3
电压随负载变化关系图
负载 / <
/p>
Ω
15
30
45
60
75
90
105
图
2
电流随负载变化关系图
负载 /
Ω
15
30
45
60
75
90
105
40
35
< br>30
25
4.0
3.5
3.0
2.5
40
35
30
20
15
10
5
0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
20
15
10
5
图
5
太阳能电池伏安特性曲线
电压 /
V
2
4
6
8
10
12
14<
/p>
16
18
0
图<
/p>
4
功率随负载变化关系图
负载 /
Ω
15
30
45
60
75
90
105
20
从图
< br>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
0~15
Ω
之间变化时，随着负载的增大，
功
率
/
W
功
率
/
W
电
流
/
A
25
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