太阳能电池特性分析

太阳能电池特性分析 2.1 前言太阳光电能是干净、 无污染且到处可得的能源，而且是取之不尽、 用之不竭。在化石能源逐渐短缺的今日， 选择太阳光电能作为替代能源是解决能源危机的途径之一。 然而太阳能电池（ Solar Cell ，在物理学上称为 Photovoltaic Cell 简称 PV）的成本高、效率低却成为它发展的重要瓶颈， 因此如何在单位面积内使太阳能电池发挥最大的发电量， 就成为发展太阳能工业的一大研究重点。 以 下第二节 为 对 太阳能电池 原 理 做 一简单的 介绍 。 第三节 为 介绍 太阳能电池的 种类 。 第四节则介绍 太阳能电池的电 气特性 。 第五节介绍 太阳能电池 组件 的 建模与分析 。 2.2 太阳能电池的原理 [16～ 17]太阳能电池的能量 转换 是 应 用 P-N 结 的光 伏 效 应 （ Photovoltaic Effect ） 。 首先对 P-N 结二极管做 一简单 说明 。如 图 2-1 所示 ，为一理 想 的 P-N 结二极管 的电 流 -电 压 （ I-V ） 特性图 ， 其对应 的 方程式 如 下 （ 2.1）其中I pn， Vpn P-N 结二极管 的电 流及 电 压k 波尔兹曼常数 （ Boltzmann Constant 1.38 10-23J/K）q电 子 电 荷 量（ 1.602 10-19 库仑 ）T 绝对温度 （ 凯氏温度 K＝摄氏温度℃＋ 273 度 ）I s 等 效 二极管 的 逆向饱和 电 流VT 热 电 压 （ Thermal Voltage 25.68mV ）图 2-1 P-N结二极管 I-V 特性图太阳能电池 将 太阳光能 转换 为电能是 依赖自 然光 中 的的量 子 -光 子 （ Photons） ，而 每个 光 子所携带 的能量为 Eph（ 2.2）其中h 普郎克常数 （ Planck Constant 4.14 10-15eV S）c光 速 （ 3 108m/s）λ 光 子波长但并非所有 光 子都 能 顺利地通 过 太阳能电池 将 光能 转换 为电能， 因为在不 同 的光 谱 中 光 子所携带 的能量不一 样 1. 当 光 子所携带 的能量大 于禁 带 （ Band Gap）能量 时 ，电 子 由价 电 带 （ Valence Band） 跃迁至导 电 带 （ Conduction Band ）而 产生 所 谓 的 “ 电 流 ” ， 所 以 当 光 子所携带 的能量 若 大 于禁 带能量 时 ， 便 可以 通 过 光电 子转换 成电能，如 图 2-2 所示 。2. 若 光 子所携带 得能量 小于禁 带 能量 时 ，就 对 太阳能电池而 言 并 没 有 什么 作用，不 会产生任 何的电 流 。但 在太阳光 照射 到太阳能电池 产生 电 子 -空穴 对 （ Electro-Hole Pair）的 同时 ， 也会 有 部份 的能量以 热 能 形 式 散逸掉 而不能 被 有 效的 利 用。图 2-2 太阳光 照射 在太阳能电池上的 示 意 图当入射 太阳光的能量大 于硅半导体 的 禁 带 能量 时 ， 太阳光 子 照射入半导体 内， 把 电 子 从价 电带 激 发到 导 电 带 ， 从 而在 半导体 内 部产生了许多“ 电 子 -空穴” 对 ，在内 建 电 场 的作用 下 ，电 子向 N 型区移动 ， 空穴 向 P 型区移动 ， 这样 ， N 区 有 很多 电 子 ， P区 有 很多空穴 ，在 P-N结 附近 就 形 成 了 与 内 建 电 场 方向 相反 的光 生 电 场 ， 它的一 部 分 抵消了 内 建 电 场 ， 其 余部 分则使 P 区 带 正 电， N 区 带 负 电， 于 是在 N 区 与 P 区 之 间产生了 光 生 伏 打 电 动势 ， 这 就是 所 谓的 “ 光 生 伏 打 效 应 ” 。如 果 位太阳电池 开路 ， 即 组 成电池 回路 中 ， 负载 电 阻 为无 穷 大， 则 被 P-N 结分 开 的电 子和空穴 ，就 会全部 积 累 在 P-N 结 附近 ， 于 是 出现了 最大光 生 电 动势 ，它的 数 值即 为 开路 电 压 ，记 作 Voc。如 果把 太阳电池短 路 ， 即回路负载 电 阻 为 零 ， 则所有 P-N 结 附近 的电 子与 空穴 ， 由 结 的一边 ， 流 经外 电 路 到 达 结 的 另 一 边 ， 产生了 最大可能的电 流 ， 即 短 路 电 流 记 作 I SC。太阳能电池 相当于具 有与 受 光面 平行 的 极 薄 P-N 结 的大面积的 等 效 二极管 ，因此可以 假 设太阳能电池为一 个二极管与 太阳光电 流 发 生 源 所并 联 的 等 效电 路 ，如 图 2-3 所示 。图 2-3 太阳能电池的理 想 状态 等 效电 路 2.3 太阳能电池的种类 [14～ 19]目前市 面上的太阳能电池的 分类及其 在 市 场 上的 占 有 率如 图 2-4 和图 2-5 所示 [18]。 大 致 上可分 为 堆 积 型 （ Bulk Type ） 和 薄 膜 型 （ Thin Film Type ） 两 种 ， 介绍 如 下 图 2-4 太阳电池 种类图 2-5 各 种 太阳电池的 市 场 占 有 率堆 积 型 太阳能电池 又 可 分 为单 晶 硅 太阳能电池多 晶 硅 太阳能电池III-V 族 化 合 物 半导体 太阳能电池薄 膜 型 太阳能电池 又 可 分 为非 晶 硅 太阳能电池II-VI 族 化 合 物 半导体 太阳能电池 2.3.1 单晶硅太阳能电池 [16～ 19]单 晶 硅 太阳电池 其特 征 如 下 1 原 料 硅 的 藏 量 丰富 。 由于 太阳光的 密 度极 低， 故实 用上 需 要大面积的太阳电池，因此在原 材料 的 供给 上 相当 重要， 再加 上 Si 材料 本 身 对 环境影响 极 低。2 Si 的 密 度 低， 材料轻 。3 多 晶 硅 及非 晶 硅 太阳电池 比较 ， 其转换 效率 较 高。4 发电 特性极 稳定 ， 约 有 20 年耐久 性 。5 在太阳光 谱 的 主 区 域 上，光 吸收系 数 只 有 103cm-1 程度 ， 相当小 。 故 为 吸收 太阳光 谱 ，需 要 100μ m 厚 的 硅 。目前 单 晶 硅 太阳能电池的 开 发是 朝着降 低成本 和 提升 效率的 两 方 面 着手 ， 单 晶 硅 太阳能电池（ Cell）的 转换 效率 约 为 15-17％ ，而 组件 （ Module ）化 后 其转换 效率 约 为 12-15％ ，一 般厂商 对组件 化 转换 效率的 定义 ， 是 依 照 该 组件中 最低太阳能电池 转换 效率为 基准 ， 而不是取太阳能电池的 平 均 转换 效率，如 图 2-6 所示 。 现 阶段 的发展是以 铸造 硅 （ Cast Si）为 主 要 材料 ，而 其每 10cm2 的单位 转换 效率 已 高 达 17.2％ ， 且 进 入 大 规 模 生产 期 。 目前世界 上效率最高的是 由 澳洲 的 Mr. Green 所 开 发 出 来 ， 其 面积为 4cm2 所 得到 转换 效率可高 达 23.4％ 。图 2-6 串联 效率不 同 的太阳能电池 2.3.2 多晶硅太阳能电池 [16～ 19]单 晶 硅 太阳能电池 虽 有其 优 点， 但 因 价 格昂贵 ， 使得单 晶 硅 太阳能电池在低 价 市 场 上的发展受 到 阻 碍 。 而 多 晶 硅 太阳能电池 则首先 是以 降 低成本， 其 次才 是效率。 多 晶 硅 太阳能电池 降低成本的 方式 主 要 有三个 ， 一是 纯 化的 过 程 没 有将 杂质完 全 去 除 ， 二 是使用 较 快 速 的 方式 让硅 结 晶 ， 三 是 避免切片 造 成的 浪费 。 因为 这 三个原 因使得 多 结 晶 硅 太阳能电池在 制 造 成本 及时间 上 都 比 单 晶 硅 太阳能电池 少 ， 但 因为 这样 使得 多 晶 硅 太阳能电池的 结 晶 构 造较 差 。 多 晶硅 太阳能电池 与 单 晶 硅 太阳能电池 虽 然 结 晶 构 造 不一 样 但 发电 原 理一 样 。多 晶 硅 太阳能电池 结 晶 构 造较 差 主 要的 原 因 有 两 个 ， 一是本 身 含 有 杂质 ， 二 是 硅 在 结 晶 的 时候 速度 较 快 ， 硅 原子 没 有 足够 的 时间 成单一 晶格 而 形 成 许多 结 晶 颗粒 。 结 晶 颗粒愈 大 则 效率与 单 晶 硅 太阳能电池 愈接 近 ， 结 晶 颗粒愈 小 则 效率 愈差 ， 而且 结 晶 边 界 的 硅 原子 键 结 情况 较差 ， 容易 受 紫 外 线破坏 而 产生 更 多 的 悬浮键 ， 随 着 使用 时间 的 增 加 ， 悬浮键 的 数 目 也会 随 着增 加 ， 光电 转换 效率因而逐渐 衰退 ， 这 两 个 是 多 晶 硅 太阳能电池的 主 要缺点， 而成本低为 其主 要 优 点。多 晶 硅 太阳能电池在工业上的 运 用， 目前 可 达 到 每 100cm2 的单位 转换 效率为 15.8％ （ Sharp公司 ） ， 若 在 实 验室 中则 达 到面积 每 4cm2 的单位 转换 效率为 17.8％ （ UNSW） ， 多 晶 硅 太阳能电池的一 般 转换 效率 约 为 10-15％ ， 组件 化的 转换 效率 约 为 9-12％ 。 由 上 述 的效率 和组件化 观 点， 我们 不 难 发 现 为 什么 单 晶 硅 较 常 被 采 用的 原 因。 2.3.3 III-V 族化合物半导体 [18,19,21]III-V 族 化 合 物 半导体 太阳能电池 特 征 如 下 III- III- 高效率 已 知 太阳能电池的光电 转换 理 论 效率， 与 半导体 的 禁 制 带宽 有 关 。 一 般 认 为， 有 1.41.5eV 左右 禁 制 带 宽 的 半导体 ， 适 合 高效率太阳电池 材料 。 与 禁 制 带 宽 为 1.1eV 的 Si比较 ， 1.41eV 的 GaAs， 1.35eV 的 InP或 1.44eV的 CdTe有 较 高效率。2 适 合 薄 膜 化因为 Si 的光 吸收系 数 小 ，为 吸收 充足 的太阳光，如 图 2-7 所示 ， 需 要 100μ m 以上的 厚 度 ，而化 合 物 半导体 的光 吸收系 数 大， 只 要 几 μ m 的 厚 度 ， 即 可 有 充 分 的效率。太阳电池的 薄 膜 化，可 节 省 大量 材料 。3 可 耐 放 射 线损伤 更适 合 太 空 用途。4 高 集 光 性 在高 温 工作 时 ，太阳电池效率的 降 低 较 小 ，如 图 2-8 所示 。因此， 聚 光工作时 温度 的 影响较 小 ，可以 比 Si结 晶 太阳电池的 集 光 性 提 高 1000 倍 以上。5 各 种 半导体 的 组 合 ，可使 波长 感 度 的 带 宽 域 化，可 期 待 高效率化。III-V 族 化 合 物 半导体 ，可以 达 到 30-40％ 的 超 高效率， 这 种 太阳能电池的 第二 代 有 较 小 单位面积， 但 却 拥 有 超 高效率的 特性 ， 已 在 专 业 实 验室 中 获 得 证 实 ， 例 如 磷 化 镓铟 （ GaInP） ／砷 化 镓 （ GaAs） 已 可得到 将 近 30％ 的效率。而就 所 知 ， 利 用 聚 光 方式 可使太阳能电池的 转换 效率 再 向 上 提升 ， 例 如 把 砷 化 镓 （ GaAs） ／锡 化 镓 （ GaSn） 叠层起 来 ，太阳能电池在 聚光 下 的 转换 效率 也 可高 达 35.8％ ， 这 是 目前世界 上 所 得到最高 转换 效率的太阳能电池 [21]。但 是， GaAs材料 非常 昂贵 ， 这 是 GaAs电池大面积 推广 的最大 障 碍 。为 了 降 低成本，可 利 用聚 光 系 统 。 聚 光 系 统 不 但 使用 相 对 便 宜 的 塑 料 透镜 和 金属 外 壳 ，而且 也 改善 了 电池 性 能。图 2-7 Si及 GaAs太阳电池理 论 转换 效率 与 膜厚 ， 粒 径 关 系图 2-8 化 合 物 半导体 的光电池 转换 效率 2.3.4 薄膜型太阳能电池 [18,19,20,22]薄 膜 型 太阳能电池 由于 使用 材料较 少 ， 就 每 一 组件 的成本而 言 比 起 堆 积 型 太阳能电池 有 着 明显 的 减 少 ， 制 造 程 序 上 所 需 的能量 也 较堆 积 型 太阳能电池 来 的 小 ， 它 同时也 拥 有 整 合 型 式 的连 接 组件 ， 如此一 来 便 可 省 下 了 独立 组件所 需 在 固 定 和 内 部 连 接 的成本。 未 来 薄 膜 型 太阳能电池 将 可能 会 取代 现 今一 般 常 用 硅 太阳能电池，而成为 市 场 主 流 。非 晶 硅 太阳能电池 与 单 晶 硅 太阳能电池 或 多 晶 硅 太阳能电池的最 主 要 差 异 是 材料 的不 同 ， 单晶 硅 太阳能电池 或 多 晶 硅 太阳能电池的 材料 都 是 硅 ，而 非 晶 硅 太阳能电池的 材料 则 是 SiH4，因为 材料 的不 同 而使 非 晶 硅 太阳能电池的 构 造 与 晶 硅 太阳能电池 稍 有 不 同 。SiH4 最大的 优 点为 吸 光效 果 及 光 导 效 果 都 很 好 ， 但其 电 气特性类 似 绝 缘 体 ， 与 硅 的 半导体特性 相 差 甚远 ， 因此最 初 认 为 SiH4 是不 适 合 的 材料 。 但 在 1970 年 代 科 学 家 克 服 了这 个 问题 ，不 久后 美国 的 RCA制 造 出 第 一 个非 晶 硅 太阳能电池。 虽 然 SiH4 吸 光效 果 及 光 导 效 果 都 很 好 ，但 由于 其结 晶 构 造比 多 晶 硅 太阳能电池 差 ， 所 以 悬浮键 的 问题 比 多 晶 硅 太阳能电池 还严 重，自 由 电 子与 空穴 复 合 的 速 率 非常 快 ； 此 外 SiH4 的 结 晶 构 造 不 规 则 会阻 碍 电 子与 空穴 的 移动使得 扩 散 范围变 短。 基 于 以上 两 个 因 素 ，因此 当 光 照射 在 SiH4 上 产生 电 子 空穴 对 后 ， 必须尽 快 将 电 子与 空穴 分 离 ， 才 能 有 效 产生 光电效 应 。 所 以 非 晶 硅 太阳能电池大 多 做 得 很薄 ， 以减 少 自 由 电 子与 空穴 复 合 。 由于 SiH4 的 吸 光效 果很 好 ， 虽 然 非 晶 硅 太阳能电池 做 得 很薄 ，仍 然可以 吸收 大 部 分 的光。非 晶 硅薄 膜 型 太阳能电池的 结 构 不 同于 一 般 硅 太阳能电池， 如 图 2-9 所示 ， 其 主 要可 分 为 三层 ，上 层 为 非常 薄 （ 约 为 0.008 微米 ）且 具 有 高 掺 杂 浓 度 的 P＋ ； 中 间 一 层 则 是 较厚 （ 0.5～ 1微米 ）的 纯质 层 （ Intrinsic layer ） ， 但 纯质 层 一 般 而 言 通常都 不 会 是 完 全 的 纯质 （ Intrinsic ） ，而是 掺 杂 浓 度 较 低的 n 型 材料 ； 最 下 面一 层 则 是 较 薄（ 0.02 微米 ）的 n。而 这 种 p-i-n 的 结 构 较 传 统 P-N结 构 有 较 大的电 场 ，使得 纯质 层 中 生 成电 子 空穴 对 后 能 迅 速 被 电 场 分 离 。而在 P＋ 上一 层 薄 的 氧 化物 膜 为 透 明 导 电 膜 （ Transparent Conducting Oxide TCO） ，它可 防止 太阳光 反射 ，以 有 效 吸收 太阳光， 通常 是使用 二 氧 化 硅（ SnO2） 。 非 晶 硅 太阳能电池最大的 优 点为成本低，而缺点 则 是效率低 及 光电 转换 效率 随 使用 时间 衰退 的 问题 。 因此 非 晶 硅 太阳能电池在 小 功 率 市 场 上 被 广 泛 使用， 而在发电 市 场 上 则不 具 竞争力 。图 2-9 非 晶 硅薄 膜 型 太阳能电池的 结 构 图近 年来 ， 全 球 太阳电池的 开 发 与应 用的发展 速度 很 快 ， 每 年 递 增 30， 主 要 产 品 为 晶 体硅 和非 晶 硅 电池。 但 是， 非 晶 硅 太阳电池一 直困扰 于 性 能 衰 降 问题 ， 产 量 未见 增 加 ， 晶 体硅 和非晶 硅 太阳电池 实 际 价 格 很 高的 状 况 仍未 改 变 。 从 固 体 物理学上 讲 ， 硅 材料 并 不是最理 想 的光伏 材料 ， 这 主 要是因为 硅 的光 吸收系 数 较 低。 因此， 新 型薄 膜 太阳电池的研究 近 十 年来 受 到高 度 重 视 。最 具 有 发展 前 途的是 碲 化 镉 CdTe和 铜 铟 硒 CuInSe2薄 膜 太阳电池，因为它 们 有非 晶 硅薄 膜 型 太阳能电池 所 不能 达 到的高效率 与 可 靠 度 。 就效率而 言 ， 它在 很小 的单位面积上 已 经 可 达 到 16％ 以上，且 没 有 可 靠 度方 面的 问题 。在大面积电池的研 制 ， 规 模 化 生产 的发展，低的 生产 成本 等方 面， 鍗 化 镉 碲 化 镉 电池 显 现出 其 它电池无 法 比 拟 的 优 势 ，它 们 的生产 成本 约 为单 晶 硅 太阳电池 1/3～ 1/2。 虽 然它 们 的研究 目前已 经 取得 相当 大的 进 展， 并 已进 行 批 量 生产 ， 但 要 与 晶 体硅 太阳电池 抗衡还 需 要 做 大量的工作。 2.4 太阳能电池的电气特性如 前 面 图 2-3 所示 ，太阳能电池在理 想 状态 时 ，可用 式 （ 2.3） 来 表 示其 I-V 关 系 式 （ 2.3）其中I sc 某 日 照 量 下 太阳能电池的短 路 电 流I s 等 效 二极管 的 逆向饱和 电 流n理 想 参 数 值 ，一 般 介 于 1～ 2 之 间图 2-10 为太阳能电池 实 际 的 等 效电 路 [16,17,23] ，可用 式 （ 2.4） 来 表 示其 I pv-Vpv关 系 式 层 ，上 层 为 非常 薄 （ 约 为 0.008 微米 ）且 具 有 高 掺 杂 浓 度 的 P＋ ； 中 间 一 层 则 是 较厚 （ 0.5～ 1微米 ）的 纯质 层 （ Intrinsic layer ） ， 但 纯质 层 一 般 而 言 通常都 不 会 是 完 全 的 纯质 （ Intrinsic ） ，而是 掺 杂 浓 度 较 低的 n 型 材料 ； 最 下 面一 层 则 是 较 薄（ 0.02 微米 ）的 n。而 这 种 p-i-n 的 结 构 较 传 统 P-N结 构 有 较 大的电 场 ，使得 纯质 层 中 生 成电 子 空穴 对 后 能 迅 速 被 电 场 分 离 。而在 P＋ 上一 层 薄 的 氧 化物 膜 为 透 明 导 电 膜 （ Transparent Conducting Oxide TCO） ，它可 防止 太阳光 反射 ，以 有 效 吸收 太阳光， 通常 是使用 二 氧 化 硅（ SnO2） 。 非 晶 硅 太阳能电池最大的 优 点为成本低，而缺点 则 是效率低 及 光电 转换 效率 随 使用 时间 衰退 的 问题 。 因此 非 晶 硅 太阳能电池在 小 功 率 市 场 上 被 广 泛 使用， 而在发电 市 场 上 则不 具 竞争力 。图 2-9 非 晶 硅薄 膜 型 太阳能电池的 结 构 图近 年来 ， 全 球 太阳电池的 开 发 与应 用的发展 速度 很 快 ， 每 年 递 增 30， 主 要 产 品 为 晶 体硅 和非 晶 硅 电池。 但 是， 非 晶 硅 太阳电池一 直困扰 于 性 能 衰 降 问题 ， 产 量 未见 增 加 ， 晶 体硅 和非晶 硅 太阳电池 实 际 价 格 很 高的 状 况 仍未 改 变 。 从 固 体 物理学上 讲 ， 硅 材料 并 不是最理 想 的光伏 材料 ， 这 主 要是因为 硅 的光 吸收系 数 较 低。 因此， 新 型薄 膜 太阳电池的研究 近 十 年来 受 到高 度 重 视 。最 具 有 发展 前 途的是 碲 化 镉 CdTe和 铜 铟 硒 CuInSe2薄 膜 太阳电池，因为它 们 有非 晶 硅薄 膜 型 太阳能电池 所 不能 达 到的高效率 与 可 靠 度 。 就效率而 言 ， 它在 很小 的单位面积上 已 经 可 达 到 16％ 以上，且 没 有 可 靠 度方 面的 问题 。在大面积电池的研 制 ， 规 模 化 生产 的发展，低的 生产 成本 等方 面， 鍗 化 镉 碲 化 镉 电池 显 现出 其 它电池无 法 比 拟 的 优 势 ，它 们 的生产 成本 约 为单 晶 硅 太阳电池 1/3～ 1/2。 虽 然它 们 的研究 目前已 经 取得 相当 大的 进 展， 并 已进 行 批 量 生产 ， 但 要 与 晶 体硅 太阳电池 抗衡还 需 要 做 大量的工作。 2.4 太阳能电池的电气特性如 前 面 图 2-3 所示 ，太阳能电池在理 想 状态 时 ，可用 式 （ 2.3） 来 表 示其 I-V 关 系 式 （ 2.3）其中I sc 某 日 照 量 下 太阳能电池的短 路 电 流I s 等 效 二极管 的 逆向饱和 电 流n理 想 参 数 值 ，一 般 介 于 1～ 2 之 间图 2-10 为太阳能电池 实 际 的 等 效电 路 [16,17,23] ，可用 式 （ 2.4） 来 表 示其 I pv-Vpv关 系 式 图 2-10 实 际 状态 时 的的 等 效电 路由 式子 （ 2.7）可 知 Isc 和 Is 的大 小值 与 太阳能电池的 整 个结 构 相当 有 关 ， 例 如太阳能电池的 几 何 形 状 、 制 造 过 程都 是 影响 的因 素 。在 I pv-Vpv 的 特性 曲 线 中 ，要 特 别注 意 下 列 几 点在短 路 情况 下 （ Vpv0） ， 这时 所有 产生 的电 流 全 都流向 外 加 的短 路负载 而不 会 流 经过 二极管 ，此 时 短 路 电 流 I pv 几 乎 等 于 光 照 下所 产生 的电 流 Isc； 当 处 于开路 情况 时 （ I pv0） ， 光 照 下所 产生 的电 流 完 全 流 经 二极管 ，此 时开路 电 压 Voc 为 [26]（ 2.8）利 用 式子 （ 2.7）可 画 出 太阳能电池的 Ipv-Vpv 及 Vpv-Ppv 等特性 曲 线 ，如 图 2-11 所示 ， 由 图 可知 太阳能电池的 输 出 曲 线 为 非 线 性 且为 温度与 日 照 强 度 的 函 数 ， 每 一 条曲 线 中 各 点 所 能 画 出的最大 矩 形 面积 则 是 I pv 与 Vpv 的最大 乘 积 值 称为最大 功 率点， 定义 为 Pmax， 为在 该 日 照 强 度下 ， 它 所 能 输 出 功 率的最大 值 。 而太阳能电池的 填 充 因 子 （ Fill Factor F.F） 及转换 效率 η s，分 别 定义 为（ 2.9）（ 2.10）其中 Pin 为单位面积 入射 光 功 率，就是 所 谓 的日 照 强 度 Irradiation 。图 2-11 太阳能电池的 输 出 特性 2.5 太阳能电池组件的建模与分析太阳能电池 阵列 （ Array ）是 由许多小 单位的 组件 经由 并 联 或 是 串联 组 合 所组 成 ； 组件 串联组 合 可以 提 高太阳光电能发电 系 统 的最高 输 出 直 流 电 压 ； 组件并 联 组 合 可以 提 高太阳光电能发电 系 统 的最高 输 出 直 流 电 流 ， 而 串联 或 并 联 组件 可以 交 替使用以 便 得到 期 望 的 输 出 直 流 电压 或 直 流 电 流 值 。 由于 太阳能电池的 制 造 过 程 较 为 复 杂 ， 会 造 成 每 一光 伏组件 的 特性 不 完 全一 致 ， 再加 上 环境 的因 素 ， 例 如 周 围 环境 、 灰尘 、 云 层 的 阻 碍 、 建 筑 物 造 成的 阴 影 等等 ，使得 每 一 个 相同 组件所 产生 的电 压 、 电 流都 不尽 相同 ， 而 会 造 成 某 些 组件 成为 其 他 组件 的 负载 的 情况 发 生 ， 在 这 个 情况 下 因为能量的 消 耗 会 使得 组件温度 上 升 ， 而 当 太阳 组件 内 部 温度超 过 75℃ ～ 85℃ 时即 有 可能 会 造 成 组件 的 损坏 ， 或 当 太阳能 阵列装 设 的 地 点 有 被 建 筑 物 挡到 时 ， 造 成 阴 影 覆盖 在太阳能 组件 上而 造 成 该 组件 无 法 与其 它 组件 产生相同 的电 压 、 电 流 时 。在太阳 阵列 中有组件 损坏 时 或 组件 被 阴 影 挡 到 时 ， 所有 的电 压 会全部 落 在 这 个组件 上， 为 了要解决上 述 的 情况 ，就在 每 一 个组件并 联 一 个 旁 路 二极管 （ Bypass Diode） ， 如 图 2-11 所示 ，如此 便 可 提供 每 一 组件 一 个 能量 散逸 的低 阻 抗 路 径， 克 服 了多 个组件 连 接 时 的 问题 。在 白天 时 太阳能电池 会 对 蓄 电池 组 进 行 充 电的工作， 若 是太阳能电池在 夜晚 时 或 没 有 足够 亮光 时 ， 其 输 出 电 压 会 低 于 蓄 电池电 压 。此 时 ，太阳能电池的 特性 表 现 就如 同 一 般 的 二极管 ，而如 蓄 电池 组有 放 电工作的 话 ， 电 流将 会从 蓄 电池 倒 流 入 太阳能电池， 造 成太阳能电池的 损坏 。 为 防止 此发 生 ， 其 最简单解决 方式 便 是在太阳能电池 与 蓄 电池 组 之 间 加 入 一 阻 塞 二极管（ Blocking Diode ） ，如 图 2-12 所示 。 但 此 二极管 于 顺向 偏 压 时会 有压 降 产生 ， 并 使得成本提 高 这 是在 设 计 方 面 应 该 有所 注 意 的。 目前市 售 二极管 的 偏 压 ，如 图 2-13 所示 ， 硅 二极 体为 0.6～ 0.7V ， Schottky 二极管 为 0.2～ 0.3V， Ge 二极管 为 0.1～ 0.3V。以 Ge 二极管 而 言 ，虽 然电 压 降 很小 ， 但逆 电 流 大， 实 际 上 很 少 使用。 因此 充 电电 压 高 时 ， 用低成本的 硅 二极管 ，而 充 电电 压 低 时 ，以成本 稍 高且 压 降 小 的 Schottky 二极管 最 好 。图 2-12 太阳能电池 模 块 的 连 接 方式图 2-13 阻 塞 二极管 的 特性我们 将 根据 厂商 所 提供 的 资 料 ， 建 立 本 系 统 所 使用的太阳能 组件 Solar Module SP75 的 数 学模 型 ， 来 分析 在不 同 大 气 条 件下 太阳能电池 输 出 特性 的 变 化。 SP75 是 由 36 个 单 结 晶 硅 太阳能电池， 所 构 成 75 峰瓦 （ Peak Watt）的 组件 ，如 图 2-14 及图 2-15 所示 。 根据 本 节 的 描 述 ，太阳能电池的 数 学 模 型 可 表 示 为 图 2-16 的 等 效电 路 （ 忽略 Rsh 下 ） ， 可以 再 简化为 图 2-17 的等 效电 路 。图 2-14 SP75单 晶 硅 太阳能电池 表 面 放 大 500倍图 2-15 SP75组件图 （ 中 间 ）图 2-16 SP75光 伏组件 的 等 效电 路图 2-17 SP75光 伏组件 的简化 等 效电 路表 2-1 为 由 厂商 所 提供 SP75，日 照 量 1kW/m2 在 AM1.5 、太阳能电池 温度 为 25℃ 时 的 参 数 。一 般 测试 环境 上 所 采 用 标 准 测试条 件 为 （ Standard Test Condition STC） 在 AM1.5（ Air Mass 1.5） ，且太阳能电池 温度 为 25℃ 时 日 照 量为 1kW/m2 的 情况 。 我们 通常 定义 在一干净无污染的 环境 下 ，且太阳位 于 天顶 时 为 AM1 ，而 AM X 约 略 近 似 为 AM 1/cos θ ， 其中 θ 为太阳 与天顶 所 夹 的 角 度 ，如 图 2-18 所示 。表 2-1 SP75的 规格 表额 定 最大 输 出 功 率 PmaxPopt75W开路 电 压 Voc21.7V短 路 电 流 Isc4.8A最大 功 率点的电 压 Vopt17V最大 功 率点的电 流 Iopt4.4A开路 电 压 的 温度 系 数 -0.077V/℃短 路 电 流 的 温度 系 数 2.06mA/℃光 伏组件长 、 宽 规格 1172mm 483mm图 2-18 Air Mass的 定义 图根据 式 （ 2.6） ， 计算 出 其 填 充 因 子 根据 式 （ 2.7） ， 计算 出 其转换 效率由 图 2-16，用 其 近 似 公 式 计算 ， 求 得 其 参 数 I sc、 Is、 Rs（ 1.） 求 Isc 当 Vo0 时 ， I scIo设 Rs 很小时 ， VVo0 （ 2.） 求 Is 当 VoVoc时 ， Io0（ T＝ 25℃ 时 ， V T＝ 25.68mV ）最大 功 率点的电 压 Vopt17V最大 功 率点的电 流 Iopt4.4A开路 电 压 的 温度 系 数 -0.077V/℃短 路 电 流 的 温度 系 数 2.06mA/℃光 伏组件长 、 宽 规格 1172mm 483mm图 2-18 Air Mass的 定义 图根据 式 （ 2.6） ， 计算 出 其 填 充 因 子 根据 式 （ 2.7） ， 计算 出 其转换 效率由 图 2-16，用 其 近 似 公 式 计算 ， 求 得 其 参 数 I sc、 Is、 Rs（ 1.） 求 Isc 当 Vo0 时 ， I scIo设 Rs 很小时 ， VVo0 （ 2.） 求 Is 当 VoVoc时 ， Io0（ T＝ 25℃ 时 ， V T＝ 25.68mV ）图 2-19 不 同 日 照 量 下对 太阳能电池 I-V 曲 线 的 影响图 2-20 不 同 日 照 量 下对 太阳能电池 P-V曲 线 的 影响图 2-21 为 固 定 日 照 量在 1000W/m 2， 串联 电 组 Rs0.614Ω 时 ， 分 别仿真 温度 在 0℃ ～ 100℃时 的光 伏组件 I-V 曲 线 ， 图 2-22 则 为 其 P-V 曲 线 。 由 此 二图 可 知 ，在 固 定 日 照 强 度下 ， 当温度 升 高 时 太阳能电池的 开路 电 压 会 有所下 降 ， 短 路 电 流 却 会 有所 增 加 。 整 体 而 言 ， 输 出 功率 会 略微减 少 ， 而 所 能 输 出 的最大 功 率 值也会 随 着 温度 的 递 增 而 递减 ， 对应 于 温度 变 化， 最大 功 率 值也会 呈 现 线 性 变 化。 温度 的上 升 ， 会 造 成太阳能电池 输 出 功 率的 减 少 ， 因此工作 环境 的 温度将 会 直 接 影响 到太阳能电池的效率。图 2-21 不 同 温度下对 太阳能电池 I-V 曲 线 的 影响图 2-22 不 同 温度下对 太阳能电池 P-V 曲 线 的 影响