太陽能電池的動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性

王寶文

陽光電源股份有限公司 安徽合肥 230088

近年來，隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，老百姓對(duì)能源的需求量也在逐年增加。在眾多能源中，太陽能作為一種清潔型可再生能源，也是人類接觸最早的能源之一，由它衍生出的光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)正逐漸改變我國能源緊缺的困境。因此，分析研究太陽能電池的動(dòng)態(tài)特性并建立動(dòng)態(tài)模型，對(duì)我國研究以及利用太陽能具有至關(guān)重要的意義。

1 太陽能電池的內(nèi)涵

太陽能電池最早出現(xiàn)在上世紀(jì)五十年代的美國，并從此開啟了它的新紀(jì)元。而太陽能電池的發(fā)展歷程中，衍生出許多不同類別，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換頻率也得到了顯著提升。目前，我國太陽能電池按照材料可以分為以下三大類，即硅材料半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體以及多元化合物半導(dǎo)體[1]。

2 太陽能電池的動(dòng)態(tài)模型

經(jīng)過有關(guān)專家學(xué)者的長期研究表明，太陽能電池光電流減去暗電流就可以得到它的輸出電流。而在對(duì)基爾霍夫電流定理研究之后可以發(fā)現(xiàn)，太陽能電池動(dòng)態(tài)模型的最佳狀態(tài)應(yīng)該為等效結(jié)電容、光生電流源以及理想二極管的并聯(lián)電路。如果考慮引線的寄生電感以及寄生電阻，就可以得到實(shí)際的太陽能電池動(dòng)態(tài)模型。具體如圖1所示。其中，RD為二極管的小信號(hào)動(dòng)態(tài)電阻，CD等效結(jié)電容。

圖1 太陽能電池的動(dòng)態(tài)模型

3 太陽能電池的動(dòng)態(tài)特性

3.1 太陽能電池特性分析

（1）太陽電池等效電路的最佳狀態(tài)。太陽能電池中的電流，主要由相反方向的光電流以及暗電流疊加而成，為了便于對(duì)太陽能電池的伏安特性進(jìn)行表述，通常會(huì)把光生電流的方向來當(dāng)作電流的正方向。太陽能電池光照下的伏安特性曲線，會(huì)在輸出電壓較小時(shí)，讓電流基本處于恒定狀態(tài)；在輸出電壓逐步增加的同時(shí)，暗電流也會(huì)隨之增加；當(dāng)電池達(dá)到開路電壓時(shí)，暗電流就可以完全抵消光電流。太陽能電池的核心是PN結(jié)，由此可見，太陽能電池等效電路的最佳狀態(tài)應(yīng)該是穩(wěn)定的恒流源以及單向?qū)ǖ亩O管并列。

（2）寄生電阻對(duì)太陽能電池的影響?，F(xiàn)實(shí)生活中的太陽能電池，它的部分能量會(huì)在電池邊緣的漏電源以及各種電阻上耗散，其效果可以等效為太陽能電池自身串聯(lián)電阻以及分流電阻。其中，串聯(lián)電阻的構(gòu)成部件有以下幾種，即引線、前表面、背表面的接觸電阻，基區(qū)與發(fā)射區(qū)的電阻及材料電阻等；而分流電阻則會(huì)在太陽能電池的制備階段產(chǎn)生，在這一過程中會(huì)出現(xiàn)微裂痕以及劃痕等缺陷，并在這些部位產(chǎn)生金屬電橋漏電短路等現(xiàn)象，這正是誘發(fā)分流電阻的主要原因。

3.2 在光照發(fā)生變化時(shí)太陽能電池的光電流

當(dāng)太陽光照發(fā)生改變時(shí)，過剩載流子會(huì)在漂移、擴(kuò)散以及復(fù)合等過程中會(huì)受光照影響，而讓它本身的分布情況發(fā)生改變。想要得出瞬態(tài)過程中的過剩載流子含量或者濃度，可以通過以下公式計(jì)算得出：

在公式中，δn（x，t）代表的是t時(shí)刻、P區(qū)x處的過剩少數(shù)載流子的濃度；Dn為電子擴(kuò)散系數(shù)；α為材料的光吸收系數(shù)；e（t）為入射光的光強(qiáng)；G（x）=k1e（t）e-α（x-xp）為 x 處的過剩載流子的產(chǎn)生率。

3.3 溫度對(duì)太陽能電池暗電流的影響

對(duì)于太陽能電池而言，它的暗電流主要來源于以下兩個(gè)方面：第一，來自不可避免的輻射復(fù)合；第二，在太陽能電池的制作以及電池材料本身出現(xiàn)問題而產(chǎn)生的暗電流。這些雜質(zhì)或者缺陷會(huì)形成大量的復(fù)合中心，并會(huì)損失光生載流子。溫度想要對(duì)太陽能電池造成影響，只有通過暗電流才能有效。在常溫下，復(fù)合中心的溫度越高，則對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響就越大，而在復(fù)合中心溫度慢慢降低的同時(shí)，這種影響也會(huì)逐漸衰退。這是因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，電子的熱速度也會(huì)慢慢降低，這就使得復(fù)合中心能夠俘獲載流子的概率也會(huì)隨之減少。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證太陽能電池的動(dòng)態(tài)特性，采用10W單晶硅太陽能電池板，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了基于LED燈和超級(jí)電容的太陽能電池動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？紤]到現(xiàn)有照明燈具中，LED的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性最快，因此實(shí)驗(yàn)中采用216W的LED燈作為太陽能電池的光源。給出了一定光強(qiáng)下，LED燈的端電壓波形與太陽能電池的光電流波形?？梢钥闯觯琇ED燈端電壓突變后，太陽能電池的光電流經(jīng)過5μs達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。這是因?yàn)長ED燈施加端電壓、流通電流和發(fā)光三者之間存在延時(shí)，且LEM電流傳感器也存在延時(shí)效應(yīng)。因此，可以近似認(rèn)為光電流iSC（t）與光強(qiáng)e（t）同規(guī)律變化，無慣性環(huán)節(jié)。驗(yàn)電路[2]。由于暗電流階躍響應(yīng)的峰值較大，可能導(dǎo)致普通穩(wěn)壓源的輸出電壓瞬間跌落，所以實(shí)驗(yàn)中采用超級(jí)電容作為電壓源，其端電壓略高于太陽能電池的開路電壓，且太陽能電池被完全遮蔽。可見，通過電壓突變時(shí)太陽能電池的暗電流階躍響應(yīng)波形，可以方便地測定太陽能電池的少數(shù)載流子壽命。

綜上所述，太陽能作為一種可再生的清潔能源，它的研究應(yīng)用是現(xiàn)階段所有業(yè)內(nèi)人士需要花費(fèi)大量時(shí)間以及精力去完成的任務(wù)。而研究太陽能電池的動(dòng)態(tài)模型以及動(dòng)態(tài)特性，可以在很大程度上提升光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)的使用效率。因此，相關(guān)企業(yè)或者人員一定要對(duì)這一問題加以重視，從而為未來我國太陽能電池事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。