单体光伏电池的等效电路和电量方程

实际中，当受到光照的光伏电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时光伏电池的工作情况可用图2-2所示的等效电路来描述。图中把光伏电池看成能稳定地产生光电流I_ph的电流源（只要光源稳定）。其中，R_s为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成。R_sh为旁漏电阻，也称为跨接电阻，它是由于硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的。显然，二极管的正向电流I_D（通过PN结的总扩散电流）和旁路电流I_sh都要靠I_L提供，剩余的光电流经过R_s，流出光伏电池而进入负载。

图2-1 光伏电池基本原理——光伏效应

描述光伏电池特性的两个重要参数分别是

1.短路电流I_sc

所谓短路电流就是将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出短路时流过光伏电池两端的电流。测量短路电流的办法是用内阻小于1Ω的电流表接在光伏电池的两端。I_sc与光伏电池的面积大小有关，面积越大，I_sc值越大。一般来说，1cm²光伏电池的I_sc约为16～30mA。同一块光伏电池，其I_sc与入射光谱辐射照度成正比。当环境温度升高时，I_sc值略有上升，一般温度每升高1℃，I_sc约上升78μA。

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图2-2 单体光伏电池的等效电路

2.空载电压U_oc

所谓空载电压就是将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出开路时光伏电池的输出电压，其值可用高内阻的直流毫伏计测量。光伏电池的空载电压与光谱辐照度有关，与电池面积无关。在100MW/cm²的太阳光谱辐照度下，单晶硅光伏电池的空载电压为450～600mV，最高可达690mV。当入射光谱辐照度变化时，光伏电池的空载电压与入射光谱辐照度的对数成正比。环境温度升高时，光伏电池的空载电压将下降，一般温度每升高1℃，U_oc下降2～3mV。

由上述定义，可列出光伏电池等效电路中各变量的方程式如下：

式中，I₀为光伏电池内部等效二极管PN结反向饱和电流，一般为常数；U_D为等效二极管端电压；q为电子电荷，1.6×10^-19C；k为玻耳兹曼常量，0.86×10^-4eV/K；T为热力学温度；A为PN结曲线常数（取值范围为1～5）。