2.1　太陽電池組件

2.1.1　太陽電池的工作原理

太陽電池組件的核心部分為太陽電池。太陽電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成的。在沒有光照的情況下，單片太陽電池的電性能等效于二極管；在光照情況下，由于光生伏特效應(yīng)，單片太陽電池產(chǎn)生電勢差，可以對(duì)外輸出電能。

1.N型半導(dǎo)體

當(dāng)純凈硅摻入少量的V族元素磷（或砷、銻等）時(shí)，由于磷（或砷、銻等）有5個(gè)價(jià)電子，硅有4個(gè)價(jià)電子，磷（或砷、銻等）在與周圍的硅原子形成完整的共價(jià)鍵時(shí)，會(huì)多出1個(gè)價(jià)電子。這個(gè)多余的價(jià)電子極易掙脫磷原子的束縛變?yōu)樽杂呻娮樱纬呻娮诱贾鲗?dǎo)的導(dǎo)電半導(dǎo)體，也稱為N型半導(dǎo)體[1]。

2.P型半導(dǎo)體

當(dāng)純凈硅摻入少量的Ⅲ族元素硼（或鎵、銦等）時(shí)，由于硼（或鎵、銦等）有3個(gè)價(jià)電子，硅有4個(gè)價(jià)電子，硼（或鎵、銦等）在與周圍的硅原子形成完整的共價(jià)鍵時(shí)，會(huì)缺少1個(gè)價(jià)電子。這樣，大量的共價(jià)鍵上就會(huì)出現(xiàn)大量的空穴，形成空穴占主導(dǎo)的導(dǎo)電半導(dǎo)體，也稱為P型半導(dǎo)體。

3.P-N結(jié)

將P型半導(dǎo)體（摻硼）和N型半導(dǎo)體（摻磷）緊密地結(jié)合在一起，兩種導(dǎo)電類型不同的半導(dǎo)體之間就會(huì)形成一個(gè)過渡區(qū)域，也就是P-N結(jié)。在P-N結(jié)的兩側(cè)，P區(qū)內(nèi)的空穴比電子多，N區(qū)內(nèi)的電子比空穴多。兩側(cè)存在電子和空穴濃度不均勻的現(xiàn)象，造成了高濃度載流子向低濃度載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)建電場。在電場力的作用下，正電荷順著電場的方向運(yùn)動(dòng)，負(fù)電荷逆著電場的方向運(yùn)動(dòng)。P-N結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)存在一個(gè)電勢差，稱為勢壘，其大小表示為

式中，q——電子電荷量，其值為1.602×10－19C；

T——熱力學(xué)溫度，單位為K；

k——玻耳茲曼常數(shù)；

、——N型或P型半導(dǎo)體材料中的電子濃度；

、——N型或P型半導(dǎo)體材料中的空穴濃度。

當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體的表面時(shí)，如果某些光子的能量大于等于半導(dǎo)體本身的禁帶寬度，就可以使電子擺脫原子核的束縛，從而在半導(dǎo)體的內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這種現(xiàn)象就是內(nèi)光電效應(yīng)。發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是吸收光子的能量大于等于半導(dǎo)體材料本身的禁帶寬度，即

式中，——光子能量；

——普朗克常量；

——光波頻率；

——半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

由于，其中為光速，為光波波長，所以

令，則式（2-3）表示光子的波長在小于等于的情況下才會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中為截止波長。P-N結(jié)的兩側(cè)出現(xiàn)了正電荷和負(fù)電荷的累積，形成與內(nèi)建電場相反的光生電場。光生電場除了可以抵消內(nèi)建電場，還會(huì)使P型半導(dǎo)體帶正電，N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，即光生伏特效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換的物理過程如下：

（1）單片太陽電池吸收光子，使P-N結(jié)的兩側(cè)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如圖2-1（a）所示。

（2）在P-N結(jié)的兩側(cè)距離P-N結(jié)一個(gè)擴(kuò)散長度以內(nèi)所產(chǎn)生的電子和空穴，通過擴(kuò)散的形式到達(dá)空間電荷區(qū)，如圖2-1（b）所示。

（3）電子-空穴對(duì)被電場分離，P區(qū)的電子從高電位移向N區(qū)，N區(qū)的空穴從低電位移向P區(qū)，如圖2-1（c）所示。

（4）在P-N結(jié)開路的情況下，由于在P-N結(jié)的兩側(cè)累積了電子和空穴，就會(huì)產(chǎn)生開路電壓。一旦把負(fù)載連接到太陽電池上，電路中就會(huì)有電流流過，如圖2-1（d）所示。若太陽電池兩端短路，則電流達(dá)到最大，稱為短路電流。

目前，典型的晶體硅太陽電池是以P型半導(dǎo)體作為基體材料的，上面一層為型，從而形成型的結(jié)構(gòu)。從太陽電池頂區(qū)引出的電極是上電極，從下層引出的電極為下電極。

2.1.2　太陽電池組件的伏安特性

單片太陽電池的電流和電壓一般滿足不了應(yīng)用需求，因而需要把單片太陽電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起，并封裝保護(hù)，形成太陽電池組件。根據(jù)2.1.1節(jié)太陽電池的工作原理，可建立電路模型有效模擬太陽電池與太陽電池組件的輸出電性能[3]，以滿足光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。現(xiàn)有的描述太陽電池與太陽電池組件的等效電路模型通常有兩種：單二極管模型和雙二極管模型。

1.單二極管模型

理想的太陽電池等效模型是并聯(lián)一個(gè)二極管的電流源[4]。其中，基于三參數(shù)的單二極管模型如圖2-2所示。

太陽電池的輸出電流，其中按下式計(jì)算：

二極管的電壓為

式（2-4）和式（2-5）中，——光生電流，單位為A；

——二極管的反向飽和電流，單位為μA；

n——二極管理想因子；

——電壓，單位為V；

——串聯(lián)的單片太陽電池的數(shù)量；

——玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.381×10－23J/K；

——P-N結(jié)的溫度，單位為K；

q——電子電荷量，其值為1.602×10－19C。

當(dāng)時(shí)，；而當(dāng)時(shí)，電壓最大，此時(shí)

在相同環(huán)境條件下，太陽電池的輸出功率為

理想的單二極管模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較少。在復(fù)雜情況下，該模型無法體現(xiàn)太陽電池的輸出特性。在實(shí)際的生產(chǎn)中，由于太陽電池生產(chǎn)商所采用工藝的局限性，即使是同一批生產(chǎn)出來的單片太陽電池，其伏安特性曲線也會(huì)有所差異。為了更精確地表示單片太陽電池的特性，在理想的單二極管模型基礎(chǔ)上，引入串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，等效電路主要由一個(gè)光生電流源、一個(gè)并聯(lián)二極管、一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電阻構(gòu)成。基于五參數(shù)的單二極管模型如圖2-3所示。并聯(lián)電阻在該模型中用表示，體現(xiàn)太陽電池正反向漏電流特性；用表示太陽電池串聯(lián)電阻，體現(xiàn)太陽電池內(nèi)部的電壓損失。通常，值越大越好，值越小越好。

由圖2-3可知，單二極管模型太陽電池的伏安（V-I）特性方程為[5]

單二極管模型因其中包含5個(gè)參數(shù)（二極管理想因子），因此常被稱為五參數(shù)模型[5]。這種模型不僅適合模擬單片太陽電池，也適用于由多片太陽電池組成的組件和方陣。在不同的氣象條件下，該模型可輸出較準(zhǔn)確的太陽電池參數(shù)。

2.雙二極管模型

為了更準(zhǔn)確地模擬低輻照度下太陽電池的特性，引入雙二極管模型。雙二極管模型中太陽電池的等效電路主要由光生電流源、兩個(gè)二極管、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻組成。基于七參數(shù)的雙二極管模型如圖2-4所示。

由圖2-4可知，雙二極管模型太陽電池的V-I特性方程可寫為[6]

式中，——太陽電池的光生電流；

——單片太陽電池的串聯(lián)電阻；

——單片太陽電池的并聯(lián)電阻；

——太陽電池的輸出電壓；

——由等效二極管VD1中的電子-空穴對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生的反向飽和電流；

——由等效二極管VD2中的電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)復(fù)合產(chǎn)生的反向飽和電流；

——VD1的結(jié)構(gòu)因子；

——VD2的結(jié)構(gòu)因子。

、又被分別定義為

式（2-10）和式（2-11）中，，——等效二極管的理想因子；

——串聯(lián)的單片太陽電池?cái)?shù)量；

——電子電荷量，其值為1.60210－19C；

k——玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.38110－23J/K。

雙二極管模型共有7個(gè)參數(shù)，即、、、、、、，故該模型又稱為七參數(shù)模型。

2.1.3　太陽電池組件在不同輻照度下的性能

太陽電池組件的主要輸出特性參數(shù)有開路電壓VOC、短路電流ISC、最大輸出功率點(diǎn)電壓Vm、最大輸出功率點(diǎn)電流Im以及太陽電池組件的最大輸出功率Pm等，其伏安（V-I）特性曲線如圖2-5所示。

太陽電池組件的發(fā)電效率隨輻照度的變化而改變。其V-I特性曲線如圖2-6所示。從圖中曲線可以看出，在不同的輻照度下，V-I特性曲線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)不相同，說明隨著輻照度從1000W/m2開始下降，太陽電池組件的開路電壓VOC也會(huì)隨之減小，但減小的幅度不大[7]。太陽電池的短路電流ISC在圖2-6中顯示為太陽電池組件的輸出特性曲線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)。

在工程應(yīng)用中，太陽電池組件在不同輻照度下的開路電壓的計(jì)算公式為

式中，——太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下的電壓；

——太陽電池組件電壓的溫度系數(shù)。

，其中為太陽電池組件的工作溫度值，單位為℃；

，下標(biāo)200表示在200W/m2條件；

——外界的輻照度；

——標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輻照度，其值為1000W/m2。

短路電流的計(jì)算公式如下：

式中，——太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的電流；

——外界的輻照度；

——標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輻照度，其值為1000W/m2；

——太陽電池組件電流的溫度系數(shù)；

℃。

受地域和天氣的影響，太陽電池組件在很多時(shí)候都會(huì)在輻照度小于標(biāo)準(zhǔn)輻照度（1000W/m2）的情況下工作。因此，除了評(píng)估各太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)條件下的工作效率，還要評(píng)估其在低于標(biāo)準(zhǔn)輻照度下（統(tǒng)稱為低輻照度）的工作狀況[8]。

2.1.4　太陽電池組件的工作溫度與溫度系數(shù)

太陽電池組件實(shí)際發(fā)電性能受其工作溫度影響。圖2-7所示為260Wp的普通多晶硅太陽電池組件在不同工作溫度（15℃、25℃、35℃）下的V-I特性曲線。由圖2-7可知，當(dāng)太陽電池組件的工作溫度為15℃時(shí)，太陽電池的開路電壓VOC（V-I特性曲線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)）是三種工作溫度狀態(tài)下的最大值，短路電流ISC（V-I特性曲線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)）是三者之中的最小值。隨著太陽電池組件工作溫度TPV的升高（TPV由15℃上升至35℃），開路電壓VOC減小，短路電流ISC略微增大，填充因子（Fill Factor）減小，太陽電池的輸出電性能不斷降低。

當(dāng)太陽電池組件的溫度升高時(shí)，其工作效率會(huì)隨之下降。隨著太陽電池組件中太陽電池溫度的升高，開路電壓會(huì)減小，大約每升高1℃，太陽電池組件的電壓就會(huì)減小約2mV。光生電流隨著溫度的升高略有上升，大約每升高1℃，太陽電池的光生電流就會(huì)增加約0.1%。總的來說，溫度每升高1℃，輸出功率會(huì)減少0.35%～0.5%[9]。對(duì)于不同的太陽電池，其溫度系數(shù)也不一致。溫度系數(shù)是太陽電池性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。太陽電池組件溫度系數(shù)包括電流溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù)和峰值功率溫度系數(shù)。

從圖2-7可知，對(duì)于晶體硅太陽電池，短路電流隨溫度變化的影響不大，這從式（2-14）可以看出：

晶體硅太陽電池的開路電壓受溫度影響較大，通常的值越高，受溫度的影響就越小，這從式（2-15）可以看出：

式中，——晶體硅太陽電池的溫度，單位為℃；

——晶體硅太陽電池的開路電壓，單位為V；

——晶體硅太陽電池的短路電流，單位為A。