光伏电池原理：了解其基本结构和工作原理

光伏电池是基于半导体的光生伏特效应，将太阳光辐射能量直接转换为电能。当p型材料和n型材料相接，在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即pn结。此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对应。n区的电子会扩散到p区，p区的空穴会扩散到n区。一旦扩散就形成了一个n指向p的“内电场”，阻止扩散进行。达到平衡后就在界面层周围形成一个电荷区域。

当光线照射在光伏电池上，光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发出来，以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴复合之前，将通过空间电荷的电场作用相互分离。电子向带正电的n区运动，空穴向带负电的p区运动。通过界面层的电荷分离，则在p区和n区之间产生一个向外的可测试的电压。对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。光照越强，在界面层产生的电子-空穴对就越多，电流越大。当电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，只要有光照，就会有电流流过。将光伏电池单元进行串并联，并封装后成为太阳能光伏电池组件，其功率可达几瓦、几十瓦甚至上百瓦，若干光伏电池组件按需要进行串并联后形成光伏电池阵列。

图6-2 光伏电池的等效电路

图6-2为单个光伏电池的等效电路^［4］。当光照强度恒定时，由于光产生的电流不会随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看做是一个恒流源。串联电阻R_s表征光伏电池输出电流时在电池板内部产生的损耗，其阻值一般都比较小，大约在10^-3 Ω至几欧之间。并联电阻R_sh表征光伏电池由于制作工艺和缺陷而产生的微小漏电流，其阻值比较大，一般在1kΩ以上。

光伏电池阵列由若干个电池单体串并联组成，其端口伏安特性方程可表示如下：

式中 I_PV——光伏电池阵列的输出电流；

U_PV——光伏电池阵列的输出电压；

I_sc——短路电流；

I_sco——标准光照强度和标准温度时的短路电流；

I_do——二极管饱和电流；

ϕ——光照强度；

ϕ_o——标准光照强度；(www.xing528.com)

q——电子的电荷量；

A——二极管系数；

k——玻耳兹曼常数；

N——多个电池串联系数；

h_t——温度系数；

T_co——基准绝对温度；

T_c——电池内部绝对温度；

T_o——气温；

h_w——热传导系数；

a、b——常数。

开路电压和短路电流是光伏阵列的两个主要特征参数。

式（6-1）表明：①光伏电池输出电流与输出电压之间呈非线性关系，与光照强度和温度密切相关；②光伏电池的短路电流与光照强度成正比，同时也受到温度变化的影响；③二极管饱和电流主要受温度的影响，与温度成非线性关系。不同厂商生产的光伏电池参数略有不同，尤其是光伏电池的等效串联电阻R_s和并联电阻R_sh。电阻R_s越大或R_sh越小，光伏电池最大功率点的功率就越小，当R_sh＞1kΩ和R_s＜0.1Ω时，电阻的变化对最大功率点的影响就很小了。

光伏电池的输出特性受温度和光照强度等外界因素的影响很大，图6-3给出了不同光照和不同温度下的光伏阵列P-U特性曲线。可以看出，当光照强度增大、温度不变时，输出功率则会增加，同时输出电流也会增加；当光照强度不变、温度上升时，输出功率下降，开路电压也下降。在光照强度较低情况下，光伏电池的开路电压呈对数下降趋势，而短路电流和光照强度呈正比例关系。此外，无论在任何温度和光照强度下，光伏电池总有一个最大功率点，温度或光照强度不同，最大功率点位置也不同。