光强及温度对太阳电池输出性能的影响

2023-09-02韩雅菲

沈阳理工大学学报 2023年5期

戴可，韩雅菲

(沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159)

世界上90%以上的人造卫星、宇宙飞船、载人空间站和深空探测器等航天器均采用太阳电池作为主要能源[1]。航天器在低地球轨道运行期间反复进出地球阴影，环境温度交替变化对太阳电池电输出的影响较大，该问题受到学者们的广泛关注。 Gupta 等[2]在0 ～80 ℃范围内研究了太阳电池伏安特性，结果表明，温度系数的变化与电池的光电转换效率间存在良好的相关性。 Lu 等[3]采用二维有限差分法分析了环境温度和电池前后表面温差对典型硅太阳电池输出参数的影响，结果表明，随着环境温度的升高，开路电压、填充因子和效率值均降低，短路电流值增加。 Yun 等[4]利用光电耦合模型研究了温度对太阳电池转换性能的影响，结果表明，温度升高对光学性能的影响为正相关，对电学性能的影响为负相关。 Lu 等[5]通过表面接触的两层薄膜来改变硅太阳电池与环境之间的传热过程，研究了不同环境温度(20 ～80 ℃)下电池的温度分布和输出参数。

航天器在轨道运行期间，太阳辐照度也有较大差异，深空探测卫星接收到的太阳光强度更低[6]。光照强度变化对太阳电池电输出的影响也备受关注。 Berthod 等[7]建立了描述硅太阳电池电输出随辐照度变化的理论模型，结果表明，太阳电池效率的温度敏感性随辐照度的增加而降低。Suman 等[8]建立了单二极管太阳电池模型，数值模拟光照强度对太阳电池电参数的影响，结果表明，当太阳辐照度增加时，输出电流增加，从而导致输出功率增加。 Liao 等[9]在太阳电池数学模型的基础上，建立其非线性工程分析简化模型，研究了太阳辐照变化对太阳电池电输出特性的影响。

目前，有关温度变化对太阳电池影响的研究多关注于100 ℃以下范围内的电输出特性，而太阳电池在低地球轨道运行期间温度变化可以达到120 ℃且光强变化较大。本文通过设计不同光强、温度及辐照面积条件下空间单晶硅太阳电池电输出特性采集系统，实现太阳电池在不同辐照强度及温度条件下的电输出特性演化过程，并利用光伏器件仿真软件PC1D[10]与COMSOL Multiphysics 进行联合仿真，验证实验结果的可靠性；同时，通过对相同实验条件下太阳电池P 层基质内电子浓度、空穴浓度演化过程的数值模拟，从微观层面解释太阳电池输出特性随光强、温度变化的物理机制。

1 太阳电池电输出测量实验

设计空间单晶硅太阳电池的电输出特性测量系统:在室温环境(20 ℃)下太阳电池正负极连接定值电阻为55 Ω 两端构成回路；太阳电池与加热板紧密连接以保障太阳电池均匀受热，实验中加热板从20 ℃升温至160 ℃。采用红外热像仪(SC7700BB 型，FLIR 公司)对太阳电池受光面进行温度监测；利用电压探针(TDP7706 型，泰克公司)、电流探针(A622 型，泰克公司)分别进行电压、电流测量。典型空间单晶硅太阳电池，型号为TDB40 ×20，电池参数如表1 所示。

表1 电池参数表

实验中采用AIT-200L 无闪频光源(先进智能科技有限公司)模拟太阳光源，VEGA 型光功率计(以色列OPHIR 公司)测量光强，模拟光源在距离太阳电池40 cm 处进行垂直辐照，通过调节模拟光源功率控制太阳电池片的辐照光强。实验装置如图1 ～2 所示。

图1 实验装置实物图

图2 实验装置示意图

2 实验结果与分析

2.1 不同光强与温度下太阳电池的电输出特性

实验中模拟光强分别为52. 3 W/m2、90.5 W/m2和313.4 W/m2，测量不同温度条件下的回路电流、电压实时输出。得到不同光照强度与温度下太阳电池的电流输出曲线(图3)、电压输出曲线(图4)、输出功率曲线(图5)。

图3 不同光强与温度下太阳电池的电流输出曲线

图4 不同光强与温度下太阳电池的电压输出曲线

图5 不同光强与温度下太阳电池的输出功率曲线

由图3 ～5 可见:相同光照强度下，单晶硅太阳电池流经负载的电流、负载两端电压与输出功率均随温度的升高而降低；相同温度时，太阳电池在光强52.3 ～313.44 W/m2范围时流经负载的电流、负载两端电压与输出功率均随光强增大而升高。

2.2 不同辐照面积与温度下太阳电池的电输出特性

实验中通过串联两片相同太阳电池增大辐照面积，加热板同时加热两片太阳电池，采集太阳电池随温度上升的电流实时输出，得到不同辐照面积下的电流输出特性(图6)。通过绝热遮光板遮挡太阳电池改变太阳电池片受光面积的大小，采集太阳电池随温度上升的电压实时输出，得到不同辐照面积下太阳电池的电压输出特性(图7)。

图6 不同辐照面积与温度下太阳电池的电流输出曲线

图7 不同辐照面积与温度下太阳电池的电压输出曲线

由图6 和图7 可见:在相同辐照面积下，太阳电池流经负载的电流、负载两端电压均随温度升高而降低；在相同温度时，流经负载的电流、负载两端电压均随辐照面积增大而升高。

3 数值模拟

利用澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心发行的光伏器件仿真软件PC1D 和多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics 进行与实验相同辐照及温度条件下的太阳电池电输出特性仿真研究。分别在PC1D 和COMSOL Multiphysics 中建立与实验相同的电池模型，先通过PC1D 数值模拟求得不同温度、不同光强下单晶硅太阳电池的光生载流子值，再通过COMSOL Multiphysics半导体物理场模块中用户定义电池内部的光生载流子值，在COMSOL Multiphysics 中通过半导体和电路物理场的耦合，实现对实验工况的数值模拟。

数值模拟通过求解以下方程获得描述晶体硅太阳电池的参数[11]。

式中:n为电子密度；p为空穴密度；Jn为电子电流密度；Jp为空穴电流密度；μn为电子迁移率；μp为空穴迁移率；En为电子准费米能级；Ep为空穴准费米能级；GL为体积生成率，表示光的吸收；Un为电子迁移距离；Up为空穴迁移距离；ε为介电系数；q 为电子电量为离子化施主杂质浓度；为离子化受主杂质浓度。

3.1 太阳电池仿真模型的建立

选择与实验相同内置参数的太阳电池进行建模。太阳电池结构为N＋PP＋，存在减反射层膜和铝背场，如图8 所示。

图8 太阳电池结构示意图

太阳光从电池上侧入射，依次经过电池的N＋层、P 层和P＋层，P＋层掺杂铝而构成铝背场。考虑减反射膜的效应，建模过程中太阳电池对入射太阳光的反射率为10%[12]。 PC1D 数值模拟中太阳电池的表面积为8 cm2，衬底掺杂电阻率为0.19 Ω·cm2，并联电阻为6 000 Ω，绒面深度为3 μm。温度20 ～160 ℃。

COMSOL Multiphysics 太阳电池建模采用半导体模块和电路模块。图9 为太阳电池仿真模型，图10 为电池在厚度方向上少数载流子的高浓度掺杂模型。单晶硅太阳电池的各项仿真参数[13]如表2 所示。

图9 COMSOL 太阳电池仿真模型

图10 电池在厚度方向上的载流子掺杂模型

表2 电池仿真参数表

3.2 数值模拟结果与分析

3.2.1数值模拟与实验结果比较

数值模拟得到光强分别为52. 3 W/m2、90.5 W/m2和313.4 W/m2的太阳电池测试电路回路电流、负载两端电压和输出功率，得到数值模拟和实验条件下单晶硅太阳电池电流输出曲线(图11)、电压输出曲线(图12)、输出功率曲线(图13)。

图11 数值模拟和实验条件下电流输出

图12 数值模拟和实验条件下电压输出

图13 数值模拟和实验条件下输出功率曲线

由图11 ～13 可知:相同光强下，数值模拟与实验得到的太阳电池电流、电压和功率输出均随着温度的升高而降低；相同温度下，太阳电池流经负载的电流、负载两端电压和输出功率均随光强增大而升高；由于数值模拟中定义电池加热时的热传导参数保持不变，导致相同工况下数值模拟得到的电输出结果偏小于实验结果，但总体变化趋势相同。通过对应实验的数值模拟，验证了实验结论的可靠性。

3.2.2不同光强条件下太阳电池的电输出特性

数值模拟得到不同光强条件下太阳电池P 层基质内电子浓度、空穴浓度演化过程，如图14、图15 所示。