太阳能电池特性测量与应用研究

全俊晓

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 太阳能电池特性自动测量系统设计

1.1 太阳能电池基本原理

太阳能电池本身结构为PN结，其部署于电池的表面，在最优条件下，PN结内电池的电流与电压关系为：

其中，I0代表无光照时的反向饱和电流；U代表电压；e代表电子电荷；k代表玻尔兹曼常量；T代表热力学温度。

原理上，当光线照射在PN结上，如果光线光子能量大于半导体的禁带宽度，光子就会被电池所吸收，相应在恒定速率条件下就会产生电子-空穴对，电子-空穴对会给PN结带来光生电流[1]，电流大小表达式为：

其中，N(λ)代表光子数随波长分布的函数；λe代表滤色片的截止波长；λ0代表能产生光电流的最大波长。当光生电流通过PN结电池就可以输出净电流I，净电流产生原理为：在光生电流IPh与电池内部两极管电流Id接触条件下，两者之差即为I。

1.2 系统主要结构设计

结合基本原理进行系统设计工作，设计共分为两个步骤，即太阳能电池等效模型建设、测试装置设计。

1.2.1 太阳能电池等效模型建设

等效模型建设分为两个步骤。首先在没有光照的条件下，电池等同于一根二极管，其中正向偏压与通过电流存在关系。其次在有光照的条件下，电池内部特性相对复杂，但总体上等同于电源流，由一根二极管、一个并联内阻、一个串联内阻组成[2]。在这一基础上，太阳能电池等效模型如图1所示，其中Rsh为并联内阻，Rs代表串联内阻。

图1 太阳能电池等效模型

在图1基础上，模型特性主要参数包括开路电压、短路电流、最大输出功率及串联内阻，这些参数均与电池的输出功率有关，符合电源定位[3]。

1.2.2 测试装置设计

采用C8051F020单片机作为测试装置的系统核心，采用一个低噪声运放、一个滤波电路及一个采样电阻作为外围电路。为了实现自动化测量功能，本文在系统内安置了一个有源模拟负载，并将其与单片机连接，使单片机可以自动对负载电阻大小进行控制。

2 测试与结果分析

2.1 测 试

本文测试方案共分为4个步骤，即开路电压及短路电流的测量、最大输出功率测量、串联内阻测量及串联内阻对输出功率的影响测量。

2.1.1 开路电压及短路电流的测量

采用白炽灯照射太阳能电池，同时对白炽灯的光强度进行调整，采用照度计对光强进行测量；在图2基础上对电池的开路电压以及短路电流进行测量，测量结果如图3所示。

2.1.2 最大输出功率测量

首先将太阳能电池放置于暗箱中，在不加偏压下，采用恒定白炽灯对电池进行恒定光强照射，即白炽灯光源强度为60 W，在距离20 m的地点进行照射。在该测试条件下，太阳能电池受不同负载电阻影响，鉴于其输出功率和负载电阻的关系，输出功率将会发生变化，测试结果如图4所示。

图4 输出功率与负载电阻曲线

2.1.3 串联内阻测量

理论上，当外部负载电阻较大时，输出的电压、电流将满足：

其中，U代表输出电压；UOC代表开路电压；I为输出电流；Rs代表串联内阻。

2.1.4 串联内阻对输出功率的影响测量

结合章节2.1.2和2.1.3的测试结果，得到了太阳能电池的最大输出功率以及串联内阻，但两者之间存在影响关系，要校验太阳能电池特性，就需要通过本文系统对串联内阻对输出功率的影响进行测量。测量中，首先借助计算机控制电池内的不同内阻，模拟出多种太阳能电池，然后在电池外再串联一个电阻，利用单片机对电阻的阻值进行调解，使其对电池进行影响，最终测试结果如图5所示。

图5 串联内阻对输出功率的影响测量结果

2.2 结果分析

2.2.1 开路电压及短路电流测量结果分析

根据测试结果可知，电池在光强增大的条件下，其开路电压随之上升，增长到一定水平之后，电压稳定在0.58 V左右，说明供电基本稳定，且短路电流与光强基本为线性关系，说明电池特性表现良好。

2.2.2 最大输出功率测量结果分析

依照图4可知，在负载电阻达到1.8 kΩ时，电池的最大输出功率达到了4.37 mW。在这一基础上，通过计算可得填充因子数值，即65.6%。通过调解白炽灯光源强度得知，入射光强度的变化会直接影响输出功率，说明两者存在线性关系，是电池理想特性表现。

2.2.3 串联内阻测量结果分析

根据所取的1～5 mA数据计算结果，可以得到开路电压和串联内阻数值，即开路电压为553.8 mV；串联内阻为4.584 Ω。这一数值在两者的线性关系条件下，满足理论要求，代表电路输出稳定性良好。

2.2.4 串联内阻对输出功率的影响测量结果分析

太阳能电池的串联内阻越小，则最大输出功率越大，代表电池能源转换效率较高。在这一基础上，结合串联内阻测量结果，其数值表现满足要求。

3 结 论

本文主要对太阳能电池特性测量与应用进行了研究，包括系统设计和测试应用。在系统设计部分，结合太阳能电池基本原理，得到了自动化对太阳能电池特性测量系统，该系统与基本原理贴合，在测量中具有多种功能应用形式；在测试应用中，结合设计系统对太阳能电池进行了测试，结果显示测试目标特性表现良好，说明本文设计系统有效。