太陽能電池特性測量與應用研究

全俊曉

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 太陽能電池特性自動測量系統設計

1.1 太陽能電池基本原理

太陽能電池本身結構為PN結，其部署于電池的表面，在最優條件下，PN結內電池的電流與電壓關系為：

其中，I0代表無光照時的反向飽和電流；U代表電壓；e代表電子電荷；k代表玻爾茲曼常量；T代表熱力學溫度。

原理上，當光線照射在PN結上，如果光線光子能量大于半導體的禁帶寬度，光子就會被電池所吸收，相應在恒定速率條件下就會產生電子-空穴對，電子-空穴對會給PN結帶來光生電流[1]，電流大小表達式為：

其中，N(λ)代表光子數隨波長分布的函數；λe代表濾色片的截止波長；λ0代表能產生光電流的最大波長。當光生電流通過PN結電池就可以輸出凈電流I，凈電流產生原理為：在光生電流IPh與電池內部兩極管電流Id接觸條件下，兩者之差即為I。

1.2 系統主要結構設計

結合基本原理進行系統設計工作，設計共分為兩個步驟，即太陽能電池等效模型建設、測試裝置設計。

1.2.1 太陽能電池等效模型建設

等效模型建設分為兩個步驟。首先在沒有光照的條件下，電池等同于一根二極管，其中正向偏壓與通過電流存在關系。其次在有光照的條件下，電池內部特性相對復雜，但總體上等同于電源流，由一根二極管、一個并聯內阻、一個串聯內阻組成[2]。在這一基礎上，太陽能電池等效模型如圖1所示，其中Rsh為并聯內阻，Rs代表串聯內阻。

圖1 太陽能電池等效模型

在圖1基礎上，模型特性主要參數包括開路電壓、短路電流、最大輸出功率及串聯內阻，這些參數均與電池的輸出功率有關，符合電源定位[3]。

1.2.2 測試裝置設計

采用C8051F020單片機作為測試裝置的系統核心，采用一個低噪聲運放、一個濾波電路及一個采樣電阻作為外圍電路。為了實現自動化測量功能，本文在系統內安置了一個有源模擬負載，并將其與單片機連接，使單片機可以自動對負載電阻大小進行控制。

2 測試與結果分析

2.1 測 試

本文測試方案共分為4個步驟，即開路電壓及短路電流的測量、最大輸出功率測量、串聯內阻測量及串聯內阻對輸出功率的影響測量。

2.1.1 開路電壓及短路電流的測量

采用白熾燈照射太陽能電池，同時對白熾燈的光強度進行調整，采用照度計對光強進行測量；在圖2基礎上對電池的開路電壓以及短路電流進行測量，測量結果如圖3所示。

2.1.2 最大輸出功率測量

首先將太陽能電池放置于暗箱中，在不加偏壓下，采用恒定白熾燈對電池進行恒定光強照射，即白熾燈光源強度為60 W，在距離20 m的地點進行照射。在該測試條件下，太陽能電池受不同負載電阻影響，鑒于其輸出功率和負載電阻的關系，輸出功率將會發生變化，測試結果如圖4所示。

圖4 輸出功率與負載電阻曲線

2.1.3 串聯內阻測量

理論上，當外部負載電阻較大時，輸出的電壓、電流將滿足：

其中，U代表輸出電壓；UOC代表開路電壓；I為輸出電流；Rs代表串聯內阻。

2.1.4 串聯內阻對輸出功率的影響測量

結合章節2.1.2和2.1.3的測試結果，得到了太陽能電池的最大輸出功率以及串聯內阻，但兩者之間存在影響關系，要校驗太陽能電池特性，就需要通過本文系統對串聯內阻對輸出功率的影響進行測量。測量中，首先借助計算機控制電池內的不同內阻，模擬出多種太陽能電池，然后在電池外再串聯一個電阻，利用單片機對電阻的阻值進行調解，使其對電池進行影響，最終測試結果如圖5所示。

圖5 串聯內阻對輸出功率的影響測量結果

2.2 結果分析

2.2.1 開路電壓及短路電流測量結果分析

根據測試結果可知，電池在光強增大的條件下，其開路電壓隨之上升，增長到一定水平之后，電壓穩定在0.58 V左右，說明供電基本穩定，且短路電流與光強基本為線性關系，說明電池特性表現良好。

2.2.2 最大輸出功率測量結果分析

依照圖4可知，在負載電阻達到1.8 kΩ時，電池的最大輸出功率達到了4.37 mW。在這一基礎上，通過計算可得填充因子數值，即65.6%。通過調解白熾燈光源強度得知，入射光強度的變化會直接影響輸出功率，說明兩者存在線性關系，是電池理想特性表現。

2.2.3 串聯內阻測量結果分析

根據所取的1～5 mA數據計算結果，可以得到開路電壓和串聯內阻數值，即開路電壓為553.8 mV；串聯內阻為4.584 Ω。這一數值在兩者的線性關系條件下，滿足理論要求，代表電路輸出穩定性良好。

2.2.4 串聯內阻對輸出功率的影響測量結果分析

太陽能電池的串聯內阻越小，則最大輸出功率越大，代表電池能源轉換效率較高。在這一基礎上，結合串聯內阻測量結果，其數值表現滿足要求。

3 結 論

本文主要對太陽能電池特性測量與應用進行了研究，包括系統設計和測試應用。在系統設計部分，結合太陽能電池基本原理，得到了自動化對太陽能電池特性測量系統，該系統與基本原理貼合，在測量中具有多種功能應用形式；在測試應用中，結合設計系統對太陽能電池進行了測試，結果顯示測試目標特性表現良好，說明本文設計系統有效。