太阳能电池的参数

OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心专题四、太阳能电池的主要参数主讲：光电学院钟建OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心.提纲一、太阳能电池的等效电路二、太阳能电池的主要技术参数OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(1).理想的太阳电池等效电路理想的太阳电池等效电路如图所示。当连接负载的太阳电池受到光照射时，太阳电池可看做是产生光生电流Iph的恒流源。与之并联的有一个处于正偏置下的二极管，通过二极管P-N结的漏电流ID称为暗电流，是在无光照时，由于外电压作用下P-N结内流过的电流，其方向与光生电流方向相反，会抵消部分光生电流。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(1).理想的太阳电池等效电路暗电流ID表达式为：式中I0——反向饱和电流，在黑暗中通过P-N结的少数载流子的空穴电流和电子电流的代数和；U——等效二极管的端电压；q——电子电量；T——绝对温度；A——二极管曲线因子，取值在1~2之间。因此，流过负载两端的工作电流为：/()0(1)qUAkTDIIe/()0(1)qUAkTphDphIIIIIeOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(2)实际的太阳电池等效电路太阳电池本身还有电阻，一类是串联电阻，另一类是并联电阻（又称旁路电阻）;串联电阻主要是由于半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻四个部分产生的Rs;其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式，串联电阻通常小于1Ω；OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(2)实际的太阳电池等效电路太阳电池本身还有电阻，一类是串联电阻，另一类是并联电阻（又称旁路电阻）;并联电阻是由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电或耗尽区内的复合电流等原因产生的旁路电阻Rsh，一般为几千欧。实际的太阳电池等效电路如图所示。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(2)实际的太阳电池等效电路在旁路电阻Rsh两端的电压为Uj=（U+IRs），因此流过旁路电阻Rsh的电流为Ish=（U+IRs）/Rsh而流过负载的电流为：()0(1)sqUIRsAkTphDshphshUIRIIIIIIeROLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(2)实际的太阳电池等效电路()0(1)sqUIRsAkTphDshphshUIRIIIIIIeR显然，太阳电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，越接近于理想的太阳电池，该太阳电池的性能也越好。目前的太阳电池制造工艺水平，在要求不很严格时，可以认为串联电阻接近于零，旁路电阻趋近于无穷大，也就可当做理想的太阳电池看待。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心一、太阳能电池的等效电路(2)实际的太阳电池等效电路实际的太阳电池等效电路还应该包含由于P-N结形成的结电容和其他分布电容，但考虑到太阳电池是直流设备，通常没有交流分量，因此这些电容的影响也可以忽略不计。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(1)伏安特性曲线由上式可知，当负载R从0变到无穷大时，负载R两端的电压U和流过的电流I之间的关系曲线，即为太阳电池的负载特性曲线，通常称为太阳电池的伏安特性曲线，以前也按习惯称为I-V特性曲线。()0(1)sqUIRsAkTphDshphshUIRIIIIIIeROLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(1)伏安特性曲线实际上，通常并不是通过计算，而是通过实验测试的方法来得到。在太阳电池的正负极两端，连接一个可变电阻R，在一定的太阳辐照度和温度下，改变电阻值，使其由0（即短路）变到无穷大（即开路），同时测量通过电阻的电流和电阻两端的电压。在直角坐标图上，以纵坐标代表电流，横坐标代表电压，测得各点的连线，即为该电池在此辐照度和温度下的伏安特性曲线，如图所示。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(2)开路电压在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在空载（开路）情况下的端电压，也就是伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压，通常用Uoc来表示。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(2)开路电压对于一般的太阳电池，可近似认为接近于理想的太阳电池，即太阳电池的串联电阻值为零，旁路电阻为无穷大。当开路时，I=0，电压U即为开路电压Uoc，太阳电池的开路电压Uoc与电池面积大小无关，一般单晶硅太阳电池的开路电压约为450~600mV，最高可达700mV左右。00ln(1)lnphphocIIAkTAkTUqIqIOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(3)短路电流在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池在端电压为零时的输出电流，也就是伏安特性曲线与纵坐标的交点所对应的电流，通常用Isc来表示。由下式可知：当U=0时，Isc=Iph。太阳电池的短路电流Isc与太阳电池的面积大小有关，面积越大，Isc越大，一般1cm2的单晶硅太阳电池Isc=16~30mA。/()0(1)qUAkTphDphIIIIIeOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(4)填充因子（曲线因子）填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数，定义为太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，通常用FF(或CF)表示：式中IscUoc——极限输出功率；ImUm——最大输出功率。1ln(1)mmmscocococIUqUAkTAkTFFIUqUAkTqUOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(4)填充因子（曲线因子）在太阳电池伏安特性曲线图上，通过开路电压所作垂直线与通过短路电流所作水平线和纵坐标及横坐标所包围的矩形面积A，是该电池有可能达到的极限输出功率值；通过最大功率点所作垂直线和水平线与纵坐标及横坐标所包围的矩形面积B，是该电池的最大输出功率值；两者之比，就是该电池的填充因子，即FF=B/A。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(4)填充因子（曲线因子）太阳电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，则填充因子越大，该电池的伏安特性曲线所包围的面积也越大，表示伏安特性曲线越接近于正方形，这就意味着该太阳电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，因此性能越好。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点在一定的太阳辐照度和工作温度的条件下，伏安特性曲线上的任何一点都是工作点，工作点和原点的连线称为负载线；负载线斜率的倒数即为负载电阻RL的值，与工作点对应的横坐标为工作电压U，纵坐标为工作电流I。电压U和电流I的乘积即为输出功率。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Um的乘积为最大，即则称M点为该太阳电池的最佳工作点（或最大功率点），Im为最佳工作电流，Um为最佳工作压，Rm为最佳负载电阻，Pm为最大输出功率。mmaxImmPUPOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点通过伏安特性曲线上的某个工作点，作一水平线，与纵坐标相交点为I；再作一垂直线，与横坐标相交点为U。这两条线与横坐标和纵坐标所包围的矩形面积，在数值上就等于电压U和电流I的乘积，即输出功率。伏安特性曲线上的任意一个工作点，都对应一个确定的输出功率。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点不同的工作点输出功率也不一样，但总可以找到一个工作点，其包围的矩形（OImMUm）面积最大，也就是其工作电压U和电流I的乘积最大，因而输出功率也最大，该点即为最佳工作点，即在此最大功率点，有dPm/dU=0，因此有：/()0[(1)]qUAkTphPUIUIIe0(1)1mqUphmAkTIqUeAkTIOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点由图看出，如果太阳电池工作在最大功率点左边，也就是电压从最佳工作电压下降时，输出功率要减少；而超过最佳工作电压后，随着电压的上升，输出功率也要减少。通常太阳电池所标明的功率，是指在标准工作条件下最大功率点所对应的功率。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(5)最大功率点实际工作时，往往并不是在标准测试条件下工作，而且一般也不一定符合最佳负载的条件，再加上一天中太阳辐照度和温度也在不断变化，所以真正能够达到额定输出功率的时间很少。有些光伏系统采用“最大功率跟踪器”，可在一定程度上增加输出的电能。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(6)太阳电池的转换效率太阳电池接受光照的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比称为太阳电池的转换效率，即。mI/mtinUAPOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(6)太阳电池的转换效率式中Um、Im——最大输出功率点的电压、电流；At——包括栅线面积在内的太阳电池总面积（也称全面积）；Pin——单位面积入射光的功率。。mI/mtinUAPOLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(6)太阳电池的转换效率研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要因素有：①第一位的损失是热损失，光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。为减少热损失，可设法让通过电池的光子能量恰好大于能带能量，使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量可损失。OLED研发中心电子科技大学OLED研发中心二、太阳能电池的主要技术参数(6)太阳电池的转换效率研究表明，造成太阳能电池能量损失的主要因素有：②另一主要损失是电子空穴对引起的。为减少电子空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实现。③还有一部分能量是由p-n结和接触电压损失引起的。为减少p-n结的接触电压损失，可通过聚焦太阳光以加大光子密度的方法来实现。