单晶硅光伏电池基本特性参数研究

孙建起，王宁宁

（石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄050035）

单晶硅光伏电池基本特性参数研究

孙建起，王宁宁

（石家庄学院物理与电气信息工程学院，河北石家庄050035）

采用SAC-Ⅲ+G太阳能光伏电池实验（探究型）系统研究了太阳能光伏电池的3个基本特性：光照特性、温度特性及光谱响应特性.其中，光强特性选取600-1 200 W/m2区间，得出单晶硅光伏电池不同光强下的伏安特性变化曲线.温度特性实验选取-10℃到35℃区间，得出不同温度对光伏电池开路电压、短路电流及转换率的影响.光谱响应实验选取395 nm，490 nm，570 nm，665 nm，760 nm，865 nm，950 nm，1 035 nm等8组波长，得出单晶硅光伏电池最佳光谱响应波长为900 nm左右.

单晶硅电池；光照特性；温度特性；光谱响应特性

0 引言

太阳能电池的实质是利用PN结的光生伏特效应，将光能转化为电能.通常对太阳能电池的研究，是通过对其等效电路及其基本参数实验测量来完成的，其中包括开路电压、短路电流、最大功率、转换效率和填充因子等.

光伏电池输出特性中的非线性特点，决定了其输出功率会随着光照强度、温度的变化而呈现多变性，此外，不同类型的光伏电池对光强、温度及波长等影响因子有着不同的适宜性，只有当光强、温度、波长等因子达到最佳条件时，输出功率才会达到最大值.因此，对单晶硅电池在不同光强、温度及波长等条件下展开试验性研究，得出上述3种影响因子对单晶硅电池输出特性的最优参数，为单晶硅光伏电池的进一步研究及应用打下良好的基础.

1 实验设计

实验采用SAC-Ⅲ+G太阳能光伏电池实验（探究型）系统对单晶硅太阳能电池进行实验.该实验平台的优势包括：1）采用最为接近太阳光的氙灯作为实验光源，并设置有光强6档可调模式；2）双向温控，实验温度可选择区间大；3）配有8组滤光片，光谱测试范围广.重点以光强特性实验、温度特性实验和光谱响应实验作为研究目标，通过测得的实验数据，分别得到温度、光强和光谱对3种太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子和转换效率等的影响.

2 光照强度特性

在室温条件下，将氙灯光源分别置于1，2，3，4，5，6档，测量单晶硅太阳能电池的输出特性，并计算其特性参数如表1所示.

将各档位采集到的电流、电压及功率值进行曲线输出，分别得到伏安特性曲线（I-V）和伏瓦特性曲线（P-V），分别如图1和图2所示.

表1 不同光强下单晶硅电池基本特性参数

图1 不同光强下单晶硅电池I-V特性曲线

图2 不同光强下单晶硅P-V特性曲线

由图1和图2可知，随着光强的增大，最大输出功率和短路电流明显增大，开路电压存在微小增加，电池内阻及输出呈非线性变化.

3 温度特性

实验中，将光强固定在5档（接近标准光强：1 000W/m2），在此基础上分别设定实验温度为35℃，25℃，15℃，5℃和-5℃，测量太阳能电池I-V特性，并由此算出最大输出功率、转换效率和填充因子等参数，单晶硅电池片不同温度下的各项性能参数如表2所示.

单晶硅电池片不同温度下的I-V和P-V特性曲线分别如图3和图4所示.

由伏安特性曲线可知，随着温度的增加，单晶硅的开路电压减小，在（-5℃，5℃）区间内短路电流明显增加，在（5℃，35℃）区间内短路电流基本不变，曲线走向一致且为向上、向左移动.在伏瓦特性曲线中，功率先增大后减小，随温度增加，最大功率呈下降趋势，但-5℃和5℃下的最大功率基本相等.

表2 不同温度下单晶硅电池基本特性参数

图3 不同温度下单晶硅电池I-V特性曲线

图4 不同温度下单晶硅电池P-V特性曲线

4 光谱响应特性

不同的光具有不同的波长，波长不同产生的能量也不同.只有那些能量大于太阳能电池禁带宽度的光子才能被太阳能电池吸收并转化成电能.响应波长下的太阳能电池短路电流与入射光功率之比即其光谱响应，又称光谱灵敏度，分相对光谱响应和绝对光谱响应两种，绝对光谱响应为一定波长的光照下短路电流与入射光功率之比，如表3所示，相对光谱响应为绝对光谱响应与绝对光谱响应最大值之比.

表3 标准光强探测器的相对光光谱响应

表4 单晶硅电池片的光谱响应表

实验中，将温度控制在25℃，氙灯光源设定为5档，加入不同滤光片，为395nm，490nm，570nm，665nm，760 nm，865 nm，950 nm，1 035 nm共8组，记录不同波长下光强探测器产生的电流I'（λ）和相应太阳能电池片的短路电流I（λ），R’（λ）为实验室标准光强探测器的相对光光谱响应，绝对光谱响应为，结果如表4所示.

绘制单晶硅电池不同波长条件下相对光谱响应曲线，如图5所示.

图5 单晶硅电池片的光谱响应曲线

可以看出，单晶硅的长光谱波长响应较好，最佳光谱响应波长为900 nm左右，且光谱响应范围比较广.

[1]茅倾青，潘立栋，陈俊逸，等.太阳能电池基本特性测定实验[J].物理实验，2004，24（11）：6-8.

[2]屠佳佳，谢代梁.不同负载对太阳能电池输出功率的影响[J].中国计量学院学报，2012，23（3）：295-298.

[3]孙玲，罗向东，常志强.单晶Si太阳能电池工艺仿真与性能分析[J].半导体技术，2010，35（3）：209-212.

[4]张玮，杨景发，闫其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009，（9）：42-46.

[5]王殿元，王庆凯，彭丹，等.硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J].物理实验，2007，27（9）：8-10.

[6]袁银梅.几种硅基太阳能电池输出特性的测试与分析[J].节能技术，2011，29（4）：367-371.

[7]任航，叶林.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究[J].电力自动化设备,2009，（10）：112-115.

（责任编辑 钮效鹍）

A Study on the Basic Characteristic Parameters of Solar Battery of Crystalline Silicon

SUN Jian-qi，WANG Ning-ning
（School of Physics&Electrical Information Engineering，Shijiazhuang University，Shijiazhuang，Hebei 050035，China）

Three basic characteristics，namely light characteristics，temperature characteristics and spectral response characteristics of solar photovoltaic cells are studied by SAC-Ⅲ+G solar photovoltaic cell experiment（Investigation Type）.Therein the characteristic of the light intensity is selected from 600 W/m2to 1 200 W/m2，and the change curve of the volt ampere characteristic under different light intensity is obtained.The temperature characteristics experiments select from-10℃to 35℃，the effect of different temperature on the open circuit voltage，short circuit current and conversion rate are obtained.Spectral response experiments select 395 nm，490 nm，570 nm，665 nm，760 nm，865 nm，950 nm，1 035 nm 8 group，the best spectral response wavelength of monocrystalline photovoltaic cells is about 900 nm.

monocrystalline silicon cells；light properties；temperature characteristics；spectral response characteristics

TP13

：A

：1673-1972（2015）06-0009-04

2015-05-18

孙建起（1986-），男，河北邢台人，助教，主要从事机电一体化研究.