光照强度对三种硅太阳能电池特性影响的实验研究

王玉清，任新成

(1.延安大学物理与电子信息学院；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西延安716000)

近年来，随着全球经济的不断发展，能源短缺已成为人类面临的最为严峻的挑战之一。由于太阳能电池具有无枯竭危险、重量轻、无污染、不受资源分布地域的限制等特点，其应用越来越受到世人的关注[1-12]，太阳能发电因此被誉为是最理想的能源。掌握太阳能电池特性是充分利用太阳能的基础，光照强度、温度、阴影等均会影响到太阳能电池的特性，其中光照强度对太阳能电池特性的影响最大。

根据所用材料的不同，太阳能电池分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池、有机太阳能电池等。目前硅太阳能电池发展最为成熟，在应用中占主导地位。硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。本文用实验方法对比研究了单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池的特性与光照强度之间的关系。

1 实验装置

太阳能电池的实验装置如图1所示，该装置由成都世纪中科仪器有限公司研制，包括太阳能电池特性试验仪、可变负载(电阻箱)、导轨、光源(含支架)、滑动支架、太阳能电池、光强探头。

2 实验内容与方法

实验过程中光照强度的大小由光强探头测量。考虑到温度以及其它光源可能对实验构成影响，实验时选择了一个背光的、室温相对稳定的暗室。

2.1 按照图1所示连接好实验线路，打开光源开关，预热5 min；

2.2 光强探头接线端口连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上，测试仪设置为“光强测量”，将支架移动到距离光源较近的位置，把滑动支架固定在导轨上，记录测量到的光强G，再根据光强与太阳能电池板的面积计算出光功率Pin；

2.3 从滑动支架上取下光强探头，分别将各种太阳能电池板安装到支架上，记录对应太阳能电池的开路电压U∞、短路电流ISC，通过改变电阻箱的阻值来改变功率分配，记录对应太阳能电池的输出电压和电流，计算对应太阳能电池的输出功率P，找到对应太阳能电池的最大输出功率Pmax、最佳负载电阻Rmp，计算出对应太阳能电池的填充因子F·F、光电转换效率ηS；

2.4 将滑动支架由2.2步的位置远离光源来改变光照强度到需要的值，重复步骤2.2和2.3；

2.5 由近及远移动滑动支架，改变光照强度，重复步骤2.4；

2.6 为了形象、直观，画出不同光照强度下输出功率随负载电阻变化的P-R曲线；开路电压随光照强度变化的U∞-G曲线、短路电流随光照强度变化的ISC-G曲线；最佳负载电阻随光照强度变化的Rmp-G曲线、填充因子随光照强度变化的F·F-G曲线；最大输出功率随光照强度变化的Pmax-G曲线、光电转换效率随光照强度变化的ηS-G曲线。

3 实验数据与结果

在不同的光照强度、同一太阳能电池；同一光照强度，不同的太阳能电池下，通过改变电阻箱的阻值来改变功率分配，为了获得较可靠的结论，反反复复，记录了大量对应的太阳能电池的输出电压和电流数据，鉴于篇幅，这里不设表格一一列出，其它部分实验数据、与经过计算得到的数据见表1、表2、表3和表4。

3.1 不同光照强度下输出功率随负载电阻的变化

限于篇幅，这里只列出多晶硅太阳能电池在三个不同的光照强度下，输出功率随负载电阻变化的数据。实验数据如表1所示。

表1 多晶硅太阳能电池在不同光照强度下输出 功率随负载电阻变化的数据

根据表1数据作P-R曲线如图2所示。

由图2可以看出，对于多晶硅太阳能电池而言，在负载电阻一定时，光照强度越大，输出功率越大，与文献[1]实验结果、文献[3]模拟结果一致，最佳负载电阻在减小，与文献[1]实验结果一致。

实验结果同时表明，单晶硅、非晶硅太阳能电池在不同光照强度下输出功率随负载电阻的变化曲线与图2相似，在负载电阻一定时，光照强度越大，输出功率越大，最佳负载电阻在减小，而且，相同光照强度、相同负载情况下，非晶硅太阳能电池的输出功率最小。

3.2 光照强度对开路电压与短路电流的影响

表2 开路电压、短路电流随光照强度变化的数据

根据表2数据作U∞-G曲线如图3所示，作ISC-G曲线如图4所示。

由图3可以看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的开路电压都逐渐增大，但是，开路电压随光照强度的变化均呈非线性关系，与文献[1]实验结果一致。在光照强度相同的条件下，非晶硅太阳能电池的开路电压明显大于单晶硅、多晶硅太阳能电池的开路电压。

由图4可以看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的短路电流都在逐渐增大，且短路电流随光照强度的变化几乎均呈线性关系，与文献[1]实验结果一致。在光照强度相同的条件下，单晶硅、多晶硅太阳能电池的短路电流明显大于非晶硅太阳能电池的短路电流且单晶硅太阳能电池的短路电流最大。

3.3 光照强度对太阳能电池最佳负载电阻及填充因子的影响

表3 最佳负载电阻、填充因子随光照强度变化的数据

根据表3数据作Rmp-G曲线如图5所示，作F·F-G曲线如图6所示。

由图5能够看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的最佳负载电阻都逐渐减小，且呈非线性关系，实验结果与文献[1]、文献[2]实验结果一致。在光照强度相同的条件下，非晶硅太阳能电池的最佳负载电阻明显大于单晶硅与多晶硅太阳能电池的最佳负载电阻，单晶硅与多晶硅太阳能电池的最佳负载电阻非常接近，单晶硅太阳能电池的最佳负载电阻最小。

由图6能够看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的填充因子随光照强度的变化曲线是振荡的，对于单晶硅太阳能电池而言曲线振荡的幅度较小，而对于多晶硅、非晶硅太阳能电池来说，曲线振荡的幅度较大，所以，光照强度对填充因子的影响并无固定的规律可循。但是，在光照强度相同的条件下，多晶硅太阳能电池的填充因子最大，非晶硅太阳能电池的填充因子最小，单晶硅太阳能电池的填充因子介于两者之间，这一点是非常明显的。

3.4 光照强度对太阳能电池最大输出功率及光电转换效率的影响

表4 最大输出功率、光电转换效率随光照强度变化的数据

根据表4数据作Pmax-G曲线如图7所示，作ηS-G曲线如图8所示。

由图7能够看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的最大输出功率都在逐渐增大，与文献[1]实验结果、文献[3]模拟结果一致，最大输出功率随光照强度的变化均几乎呈线性关系，实验结果与文献[1]实验结果一致。在光照强度相同的下，单晶硅、多晶硅太阳能电池的最大输出功率接近，单晶硅太阳能电池的最大输出功率最大，相比较之下，非晶硅太阳能电池的最大输出功率非常小。

由图8可以看出，随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的光电转换效率随光照强度的变化曲线几乎与横轴平行，即在光照强度相同的条件下，单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高，多晶硅太阳能电池的光电转换效率次之，非晶硅太阳能电池的光电转换效率很低，与文献[12]一致。

4 结论

通过以上分析、比较，可以看出，光照强度对三种硅太阳能电池特性有显著影响但是还是比较复杂的。

(1)随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的输出功率、开路电压、短路电流以及最大输出功率都在增大，且开路电压随光照强度的变化均呈非线性变化，短路电流、最大输出功率随光照强度的变化均呈线性变化；随着光照强度的增强，三种硅太阳能电池的最佳负载电阻都在减小，均呈非线性变化；光照强度对三种硅太阳能电池的填充因子的影响并无固定的规律可循；三种硅太阳能电池的光电转换效率几乎不随光照强度的变化而变化。

(2)在相同光照强度下，非晶硅太阳能电池的开路电压明显大于单晶硅、多晶硅开路电压；单晶硅太阳能电池的短路电流最大，相比之下，非晶硅太阳能电池的短路电流很小；非晶硅太阳能电池的最佳负载电阻明显大于单晶硅与多晶硅太阳能电池的最佳负载电阻；多晶硅太阳能电池的填充因子最大，非晶硅太阳能电池的填充因子最小；单晶硅太阳能电池的最大输出功率最大，相比较之下，非晶硅太阳能电池的最大输出功率非常小；单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高，非晶硅太阳能电池的光电转换效率很低。