太阳能电池光伏性能受到日照强度和内部电阻的影响

曰照强度和内部电阻对太阳能电池光伏性能的影响钟志有汪浩顾锦华2（1中南民族大学电子信息工程学院，武汉430074；2中南民族大学计算与规定的电流、电压方向，可得电池输出电流I和输出电压V之间的关系为61314=kT/e，k为玻耳兹曼常数（1.为电子电荷（1.60x10-19C），T为太阳能电池的绝对温度，/.为二极管反向饱和电流，n为二极管理想因子。

对于理想的太阳能电池，其Rp值很大，可近似为无穷大，因此在一般性分析中，（V+/Rs）/Rp这一项可以忽略不计，方程（1）简化为：方程（2）即为太阳能电池单指数模型的数学表达形式。

太阳能电池的直流等效电路。2太阳能电池的性能参数在特定的太阳光照强度和温度下，太阳能电池的/V特性如所示，其中4为短路电流，V开路电压，/m为最大功率点电流，Vm为最大功率点电压，/m和Vm的乘积（Pm=/mVm）为电池的最大输出功率。在匕左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段。可以看出，太阳能电池是个复杂的非线性系统，其特性受自身工艺参数、太阳能电池温度以及外界光照强度等因素的影响。

太阳能电池的典型I-V曲线除了参数Isc，Vc和Pm之外，填充因子（FF）和光电转换效率（n）是表征太阳能电池性能的两个重要指标。其中，填充因子FF表示太阳能电池最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比填充因子FF是评价太阳能电池输出性能好坏的一个重要参数，它反映了太阳能电池质量的优劣。填充因子越大，表明太阳能电池的伏安输出特性越趋近于矩形，太阳能电池的光电转换效率就越高，其输出功率也越大。太阳能电池的光电转换效率n定义为最大输出功率Pm与太阳光输入功率Pin的比值队18，即：2太阳能电池的仿真模型由于公式（1）所给出的太阳能电池输出I-V关系是个隐式超越方程，电流强度I无法通过初等函数用其它物理量显性表达出来，为了研究日照强度和内部电阻对太阳能电池光伏性能的影响，本文根据太阳能电池的直流等效电路模型，利用Matlab建立其仿真模型，如所示。当光照强度恒定时，光生电流Il不随电池的工作状态而改变，可以用一个电流源来表示。中电压表1测量外加负载R上的输出电压V，而电压表2的测量值则表示V+IRS.示波器1，2，3分别用于显示太阳能电池的输出电流、输出电压和输出功率。

太阳能电池的仿真模型Fig.随光生电流Il的增加而增大，特别是，4的变化与光生电流Il的变化几乎成正比例关系，说明了太阳能电池的短路电流与光照强度成正比。

光照强度对太阳能电池I-V特性的影响Fig.3结果与讨论3.1日照强度对太阳能电池光伏性能的影响曰照强度的大小是直接影响太阳能电池输出电能的一个重要因素。日照强度越强，则太阳能电池的输出功率就越大，反之则输出功率就越小。由于电池的光生电流Il随日照强度而成正比例变化M，因此，可以通过改变Il的数值来模拟不同日照强度下太阳能电池的伏安特性和输出功率曲线。仿真参数分别设置为I.=8x10-4A，T=300IKRp=14a12，对光生电流Il赋予不同的数值进行仿真，可得一组输出电流、输出电压和输出功率。为不同光生电流Il时太阳能电池的伏安特性曲线，当Il为6，1.和15A时，太阳能电池的短路电流4分别为6.01，10.08和14.96A，对应的开路电压VOT分别为0.72，0.77和0.8.V，可见，心对太阳能电池的4和V都具有明显的影响。结果表明和V光照强度对太阳能电池输出功率的影响Fig.5Effectofilluminationintensity为不同光生电流4时太阳能电池输出功率P随外加负载R而变化的曲线，从图中看出，对于个特定的4，输出功率P与负载R密切相关，随着R的增加而迅速增大，但是当R超过某一个数值时，P却随R的增加而减小，这说明太阳能电池的输出功率呈现非线性特性，并且每条曲线都存在一个最大功率点。由可知，当4为6，10和15A时，太阳能电池的最大输出功率Pm分别为2.67，4.56和6.59W，对应的最佳负载R分别为0.097，0.063和0.045n，太阳能电池的最大输出功率Pm随光生电流11的增加而增大（见）。利用公式（2）容易计算出太阳能电池的填充因子FF，它随光生电流的变化如所示，光照强度增加时，太阳能电池的填充因子略有减小，这说明太阳能电池的伏安输出曲线偏离理想的矩形形状，因此相应的光伏性能也变差。

3.2内部电阻对太阳能电池光伏性能的影响由于太阳能电池电极和材料本身具有定的电阻，当工作电流流过时必然会引起电池内部的串联损耗，因此在等效电路中引入了一个串联等效电阻Rs.理论上，串联电阻Rs越大时，线路的损失就越大，因此太阳能电池的输出功率将减小、光电转换效率将降低；反之，串联电阻Rs越小时，太阳能电池的输出功率将增加、光电转换效率将升高。利用所建立的仿真模型可以研究Rs对太阳能电池伏安特性和输出性能的影响，仿真参数分别设置为/.=8X10-4A，/L=10A，T=300IKRp=104a对内部串联电阻Rs赋予不同的数值进行仿真，可得一组输出电流、输出电压和输出功率。为不同Rs时太阳能光照强度对太阳能电池Pm和FF的影响电池的伏安特性曲线，由图可见，随着Rs的增加，曲线在横轴上的截距保持不变，而曲线在纵轴上的截距明显减小，这表明串联电阻Rs增加时将导致太阳能电池短路电流Isc的降低，但对电池的开路电压V几乎没有影响。当Rs为0.2，0.5和1.0a时，电池的短路电流4分别为3.61，1.49和0.74A，对应的开路电压则保持为大约0.76V.为不同电阻Rs时太阳能电池输出功率P随负载R而变化的曲线，可以看出，太阳能电池的输出功率特性具有非线性，当电阻Rs为0.2，0.5和1.0a时，电池输出的最大功率Pm分别为0.70，0.28和0.13W（见），对应的最佳负载R分别为0.22，0.51和1.03a.结果表明：太阳能的最大输出功率Pm与电阻Rs密切相关，Rs值越大则Pm就越小。另外，电阻Rs对太阳能电池输出功率的曲线形状也具有明显影响，Rs越小时，输出功率曲线中的平缓线段越长，弯度越大，而Rs越大时，输出功率曲线中的平缓线段缩短，弯度减小。

给出了太阳能电池填充因子FF随电阻Rs的变化关系，很明显，FF随Rs增加几乎成线性减小，说明了Rs增加时太阳能电池的伏安输出曲线将偏离矩形，导致电池的光伏性能下降。事实上，当曰照强度不变时，即太阳光输入功率Pin为定值，由公式（4）可知，太阳能电池的光电转换效率4当Rs增加时，不变而4和FF均减小，可见太阳能电池的光电转换效率n将明显降低，因此，在太阳能电池的制备过程中，如何减小电池的内部串联等效电阻，对于改善太阳能电池的伏安特性和器件光伏性能具有非常重要的意义8.内部串联电阻对太阳能电池/-V特性的影响内部串联电阻对太阳能电池输出功率的影响内部串联电阻对太阳能电池Pm和FF的影响Fig.4结语通过分析太阳能电池的直流等效电路，利用Matlab建立了太阳能电池的仿真模型，研究了日照强度和电池内部电阻对电池的伏安特性、短路电流、开路电压、填充因子和输出功率等性能的影响。研究结果显示：日照强度和串联电阻对太阳能电池的伏安特性和光伏性能具有显著性影响。当日照强度增加时，电池的短路电流、开路电压和最大输出功率均增大，而填充因子却减小；当串联电阻增加时，电池的开路电压保持不变，而短路电流、最大输出功率、填充因子和光电转换效率均减小。另外研究结果还表明：太阳能电池的输出功率曲线具有明显的非线性特性，并且每条曲线有且仅有一个最大的输出功率点和个最佳的负载电阻值。