太阳能电池的输入输出特性分析

太阳电池的种类较多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。

图3.45为太阳电池的输入输出特性，也称为太阳电池的伏安特性 (I-V特性)。图中的实线为太阳电池被光照射时的伏安特性，虚线为太阳电池未被光照射时的伏安特性。

图3.45 太阳电池的伏安特性

无光照射时的暗电流 (Dark Current) 相当于PN接合的扩散电流，其伏安特性可用下式表示:

式中:

I0——逆饱和电流的作用，由PN结两端的少数载流子和扩散常量决定的常数;

V——光照射时的太阳电池的端电压;

n——二极管因子;

k——波耳兹曼常数;

T——温度℃。

PN结被光照射时，所产生的载流子的运动方向与 (3.1) 式中的电流方向相反，用Jsc表示。光照射时的太阳电池电压V与光电流密度Iph的关系如下:

式中: Jsc与被照射的光的强度有关，相当于太阳电池两端短路时的电流，称为短路光电流密度 (Short Circuit Current Density)。

由 (3.2) 式可知，当太阳电池开路状态时，将会产生与光电流的大小对应的电压。即开路电压，用Voc表示。太阳电池两端开路时，Iph=0，Voc可用下式表示:

当太阳电池接上最佳负载电阻时，其最佳负荷点P为电压电流特性上的最大电压Vmax与最大电流Imax的交点，图中的斜线部分的面积相当太阳电池的输出功率Pout，其式如下:

由于最佳负荷点P处的输出功率为最大值，因此，由下式即可得到太阳电池的最佳工作电压(Maximum Power Voltage) Vop以及最佳工作电流(Maximum Power Current) Iop:

最佳工作电压Vop为

最佳工作电流Iop为

当光照射在太阳电池上时，太阳电池的电压与电流的关系可以简单地用图3.46所示的特性来表示。如果用I表示电流，用V表示电压，也可称为I-V曲线或伏安特性。

图3.46中: Voc为开路电压，Isc为短路电流，Vop为最佳工作电压，Iop为最佳工作电流。

如前所述，图中的最佳工作点对应太阳电池的最大功率 (Maximum Power) Pmax，其最大值由最佳工作电压Vop与最佳工作电流Iop的乘积得到。实际上，太阳电池的动作受负载条件、日照条件的影响，动作点会偏离最佳工作点。

图3.46 太阳电池的伏安特性(www.xing528.com)

1. 开路电压Voc

图中横坐标上所示的电压Voc称为开路电压(Open Circuit Voltage)，即太阳电池的正极 ( +)、负极 ( －) 之间未被连接的状态，即开路时的电压。单位用V (伏特) 表示。太阳电池芯片的开路电压一般为0.5～0.8V。用串联的方式可以获得较高的电压。

2. 短路电流Isc

太阳电池的正极 ( +)、负极 ( －) 之间用导线连接，正负极之间短路状态时的电流。用Isc表示，单位为A (安培)。短路电流 (Short Circuit Current) 值随光的强度变化而变化。

另外，太阳电池单位面积的电流称为短路电流密度，其单位是A/m2或者m A/cm2。

3. 填充因子FF

填充因子(Fill Factor，FF) 为图中的斜线部分的长方形面积(Pmax=Vop×Iop)与虚线部分的长方形面积(Voc×Isc) 之比:

填充因子是一个无单位的量，是衡量太阳电池性能的一个重要指标。填充因子为1时被视为理想的太阳电池特性。一般地，填充因子的值小于1.0，在0.5～0.8之间。

4. 太阳电池的转换效率

太阳电池的转换效率 (Conversion Efficiency) 用来表示照射在太阳电池上的光能量转换成电能的大小。一般用输出能量与入射能量之比来表示，即

转换效率η= (太阳电池的输出能量/入射的太阳能量) ×100%

例如，太阳电池的面积为1m2，太阳光的能量为1kW/m2，如果太阳电池的发电出力为0.1kW，则

太阳电池的转换效率= (0.1kW/1kW) ×100%=10%

转换效率10%意味着照射在太阳电池上的光能只有十分之一的能量被转换成电能。

太阳电池的转换效率是衡量太阳电池性能的另一个重要指标。但是，对于同一块太阳电池来说，由于太阳电池的负载的变化会影响其出力，导致太阳电池的转换效率发生变化。为了统一标准，一般采用公称效率 (Nominal Efficiency) 来表示太阳电池的转换效率。即对在地面上使用的太阳电池，太阳电池芯片的温度为25℃，太阳辐射的通过空气量为1.5时、入射光能100mW/cm2与负载条件变化时的最大电气输出的比的百分数来表示。厂家的产品说明书中的太阳电池转换效率就是根据上述测量条件得出的转换效率。

为什么太阳电池的入射光的能量不能高效地转换成电能呢? 主要是由于以下的原因:

(1) 比硅的禁带 (能量带) 小的红外线，波长0.78μm以上的波长的光通过太阳电池时会产生损失，虽然太阳电池的种类不同，通过的光的波长不同，但穿过太阳电池所产生的损失的比例一般为15%～25%;

(2) 比硅可吸收的能带大，在能量较大的短波长光的表面，由于光的散乱、反射而产生损失，这部分的损失为30%～45%;

由于PN结的内部存在电场，电子、空穴载流子流出时会产生损失，这部分的损失为15%左右。

除了以上的理论上的损失导致太阳电池的转换效率下降之外，由于电流的流动所产生的焦耳损失，光电效应导致的电子、空穴再接合时所产生的再接合损失的存在，太阳电池的转换效率一般在14%～20%。