太阳能光伏电池的应用和发展趋势

1.太阳能光伏电池等效电路和基本特性

半导体PN结在太阳光照射下所形成的光伏单元电池的等效电路如图3-30a所示。图中在光照射下所产生的电流为I_ph。光生电流I_ph正比于光伏电池的面积和入射光的辐射强度，面积为1cm²的光伏电池入射光辐射强度为25～100mW/cm²时，光生电流I_ph约为16～50mA，温度每上升1℃时I_ph增大约78μA。PN结的等效二极管VD的正向电流为I_D，端电压为V_D。R_p和R_s分别为并联旁路电阻和串联等效电阻。并联电阻R_p主要等效于电池边缘漏电或耗尽区内的复合电阻，R_p数值很大约为几千欧，故流过的电流小，一般可忽略不计。串联等效电阻R_s主要等效于电池的体电阻、表面电阻、金属电阻，金属电极与半导体材料的接触等，R_s很小，一般不到1Ω。图中并联等效电容为C_p，V_L、I_L为负载电压和电流。由于实际V_D仅为0.5V左右，R_p很大，C_p很小，故C_p、R_p支路的影响都不大，所以可用图3-30b电路分析研究单元光伏电池的基本特性。光伏电池的PN结等效二极管VD在电压V_D的作用下流过的电流I_D与其端电压V_D的函数关系为图3-31a中的曲线①所示。由半导体物理理论得

式中，I_s是二极管反向饱和电流，I_s与光照强度关系不大，近似为常数；V_T为PN结的温度电压当量，在室温下

V_T=AkT/q=26mV （3-60）

q是电子电荷1.6×10^-19库仑；k是波尔兹曼常数0.86×10^-4 eV；A是PN结的曲线常数；T为温度（绝对温度）。

图3-30 光伏电池单元等效电路

图3-30b中V_oc是光伏电池空载（I_L=0）时间开路电压，由半导体物理理论，其值为

由式（3-61）可得到光生电流为

由式（3-61）可知，入射光强度较大时，I_ph>>I_s，V_OC与入射光所对应的光生电流I_ph的对数成正比。I_ph增大时，V_OC增大。V_OC与电池面积无关，而温度每升高1℃时，V_OC约下降2～3mV。

由图3-30a和图3-30b可知，负载为R_L时，V_D=V_L+R_sI_L，由此可得到输出负载电流I_L为

由上式可得到：(www.xing528.com)

光伏电池输出功率为

P=I_LV_L （3-64）

式（3-63）为光伏单元电池的外特性，即输出电压V_L与输出电流I_L的函数关系，如图3_-31a的曲线②所示。由式（3-63）及图3-31a可见，I_L=0时，V_L=V_OC，即V_L为式（3-61）的开路（空载）电压。当短路时V_L=0，这时的输出电流定义为短路电流I_SC。由式（3-62B）令V_L=0可得到短路电流I_SC为

图3-31 光伏电池输出伏安特性和功率特性

由于这时V_D=I_SCR_s很小，I_D很小，故有I_SC≈I_ph，即短路电流I_SC近似为光生电流I_ph。图3-31a中曲线②为光伏电池的外特性，它与横坐标的交点A（I_L=0）为开路电压V_OC，与纵坐标的交点B（V_L=0）为短路电流I_SC≈I_ph。光伏电池外特性曲线②的AM段，从I_L=0的V_L=V_OC的空载点A开始，负载电流I_L从零增大时，V_L从V_OC下降很少，在到达M点（V_L=V_M，I_L=I_m）之前的AM段负载电压V_C≈V_A=V_OC。光伏电池近似为一个恒压源，在近似恒压区AM，负载电流I_L增大时，V_L仅略有下降，故功率P=V_LI_L随V_L的下降而上升。当V_L增大时，P减小，dP/dV_L<0，M点功率最大，如图3-31b所示。到达M点以后，I_L再增大时，V_L急剧减小，功率P=I_LV_L也减小，直到B点V_L=0，即光伏电池输出端短路，I_L=I_SC=I_ph，P=0。图3-31a中曲线②的BM区V_L从零上升到V_m，I_L变化很少，光伏电池等效于一个近似恒流源I_B≈I_M。图中M点是光伏电池恒流源和恒压源运行的分界点。图3-31a中稍微近似恒流区BM，I_m与I_ph相差很少，V_L增大时光电池的输出功率P=V_LI_L增大，dP_L/dV_L>0，在恒流段BM的M点有最大值P_M。在B点（V_L=0），功率P为零。在最大功率点M，dP_L/dV_L=0。由式（3-63）的V_L可得到P=V_LI_L，令∂P/∂V_L=0，即可得到光电池输出最大功率点M时的V_m、I_m、P_m。

2.温度和入射光辐射强度对光伏电池伏安特性和功率特性的影响

图3-32 温度一定时不同光照条件下光伏组件的I-V和P-V特性

图3-32中示出温度一定时，入射光辐射强度（每平方米的瓦数）不同时，光伏电池组件的伏安特性和功率输出特性。图中横坐标为输出电压V_L（V），曲线②为输出电压V_L与电流I_L伏安特性；曲线③为输出功率特性。由图可见在温度一定时，入射光照强度越大时光生电流I_ph越大，开路电压V_OC也略大些，最大功率P_max也要大些，同时可看到不同光照强度时出现P=P_max的电压V_m相差不很大。

图3-33示出了光伏电池在不同温度时，短路电流I_SC（I_SC≈I_ph）、开路电压V_OC、最大功率P_max与温度的函数关系。由图可见，温度上升时光生电流I_ph略有增加，而开路电压V_OC和最大功率P_max都近似线性减小。

图3-33 光伏电池在不同温度下参数变化曲线