光伏電池電氣性能的評(píng)測(cè)(上)

1.1、太陽能電池簡(jiǎn)介

來自于日光的電能是真正“綠色”和廉價(jià)的能源，但是需要基于光伏（PV）電池和存儲(chǔ)設(shè)備（例如電池）的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。PV或太陽能電池在戶外照明領(lǐng)域，甚至在全家用和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛；它們可以采用與半導(dǎo)體器件制造相同的工藝進(jìn)行制作。太陽能電池的功能非常簡(jiǎn)單：吸收太陽光的光子并釋放出電子。當(dāng)在太陽能電池上連接負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。

PV電池和材料的電氣特征分析需要進(jìn)行多種電氣測(cè)量。這些測(cè)試工作可以在研發(fā)過程中在電池上進(jìn)行，也可以作為電池制造工藝的組成部分。這些測(cè)試包括電流與電壓關(guān)系（I-V）、電容與電壓關(guān)系（C-V）、電容與頻率關(guān)系（C-f）和脈沖I-V測(cè)試等。利用這些電氣測(cè)試結(jié)果可以提取出很多常用的參數(shù)，例如輸出電流、最大輸出功率、摻雜密度、轉(zhuǎn)換效率、電阻率和霍爾電壓。1

PV電池采用各種吸光材料制作，包括結(jié)晶和非晶硅，碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒化物（CIGS）材料制成的薄膜，以及有機(jī)/聚合物類的材料。

1.2 光伏電池等效電路模型

PV電池的等效電路模型（如圖1所示）能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想PV電池的模型可以表示為一個(gè)感光電流源并聯(lián)一個(gè)二極管。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高于電池材料的能帶，那么電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中。如果將一個(gè)外部負(fù)載連接到PV電池的輸出端，那么就會(huì)產(chǎn)生電流。

圖1. 由一個(gè)串聯(lián)電阻（RS）和一個(gè)分流電阻（rsh）和一個(gè)光驅(qū)電流源構(gòu)成的光伏電池等效電路。

由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點(diǎn)中存在材料缺陷和歐姆損耗，PV電池模型必須分別用串聯(lián)電阻（RS）和分流電阻（rsh）表示這些損耗。串聯(lián)電阻是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗拗屏薖V電池的最大可用功率（PMAX）和短路電流（ISC）。

PV電池的串聯(lián)電阻（rs）與電池上的金屬觸點(diǎn)電阻、電池前表面的歐姆損耗、雜志濃度和結(jié)深有關(guān)。在理想情況下，串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。分流電阻表示由于沿電池邊緣的表面漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下，分流電阻應(yīng)該為無窮大。

要提取光伏電池的重要測(cè)試參數(shù)，需要進(jìn)行各種電氣測(cè)量工作。這些測(cè)量通常包含直流電流和電壓、電容以及脈沖I-V。

2.1 、PV電池的直流電流-電壓（I-V）測(cè)量（提供V測(cè)量I）

可以利用直流I-V曲線圖對(duì)PV電池進(jìn)行評(píng)測(cè)，I-V圖通常表示太陽能電池產(chǎn)生的電流與電壓的函數(shù)關(guān)系（如圖2所示）。電池能夠產(chǎn)生的最大功率（PMAX）出現(xiàn)在最大電流（IMAX）和電壓（VMAX）點(diǎn)，曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。我們可以利用基本的測(cè)量工具（例如安培計(jì)和電壓源），或者集成了電源和測(cè)量功能的儀器（例如數(shù)字源表或者源測(cè)量單元SMU），生成這種I-V曲線圖。為了適應(yīng)這類應(yīng)用的需求，測(cè)試設(shè)備必須能夠在PV電池測(cè)量可用的量程范圍內(nèi)提供電壓源并吸收電流，同時(shí)，提供分析功能以準(zhǔn)確測(cè)量電流和電壓。簡(jiǎn)化的測(cè)量配置如圖3所示。

圖2. 該曲線給出了PV電池的典型正偏特性，其中最大功率（PMAX）出現(xiàn)在最大電流（IMAX）和最大電壓（VMAX）的交叉點(diǎn)。

圖3. 對(duì)太陽能電池進(jìn)行I-V曲線測(cè)量的典型系統(tǒng)，由一個(gè)電流源和一個(gè)伏特計(jì)組成。

測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該支持四線測(cè)量模式。采用四線測(cè)量技術(shù)能夠解決引線電阻影響測(cè)量精度的問題。例如，可以用其中一對(duì)測(cè)試引線提供電壓源，用另一對(duì)引線測(cè)量流過電池的電流。重要的是要把測(cè)試引線放在距離電池盡可能近一些的地方。

圖4給出了利用SMU測(cè)出的一種被照射的硅太陽能電池的真實(shí)直流I-V曲線。由于SMU能夠吸收電流，因此該曲線通過第四象限，并且支持器件析出功率。

圖4. 正偏（被照射的）PV電池的這種典型I-V曲線表示輸出電流隨電壓升高而快速上升的情形。

2.2 光伏電池的總體效率的測(cè)量參數(shù)

其它一些可以從PV電池直流I-V曲線中得出的數(shù)據(jù)表征了它的總體效率——將光能轉(zhuǎn)換為電能的好快程度——可以用一些參數(shù)來定義，包括它的能量轉(zhuǎn)換效率、最大功率性能和填充因數(shù)。最大功率點(diǎn)是最大電池電流和電壓的乘積，這個(gè)位置的電池輸出功率是最大的。

填充因數(shù)（FF）是將PV電池的I-V特性與理想電池I-V特性進(jìn)行比較的一種方式。理想情況下，它應(yīng)該等于1，但在實(shí)際的PV電池中，它一般是小于1的。它實(shí)際上等于太陽能電池產(chǎn)生的最大功率（PMAX=IMAXVMAX）除以理想PV電池產(chǎn)生的功率。填充因數(shù)定義如下：

FF = IMAXVMAX/(ISCVOC)

其中IMAX=最大輸出功率時(shí)的電流，VMAX =最大輸出功率時(shí)的電壓，ISC =短路電流，VOC=開路電壓。

轉(zhuǎn)換效率（h）是光伏電池最大輸出功率（PMAX）與輸入功率（PIN）的比值，即：

h = PMAX/PIN

PV電池的I-V測(cè)量可以在正偏（光照下）或反偏（黑暗中）兩種情況下進(jìn)行。正偏測(cè)量是在PV電池照明受控的情況下進(jìn)行的，光照能量表示電池的輸入功率。用一段加載電壓掃描電池，并測(cè)量電池產(chǎn)生的電流。一般情況下，加載到PV電池上的電壓可以從0V到該電池的開路電壓（VOC）進(jìn)行掃描。在0V下，電流應(yīng)該等于短路電流（ISC）。當(dāng)電壓為VOC時(shí)，電流應(yīng)該為零。在如圖1所示的模型中，ISC近似等于負(fù)載電流（IL）。

PV電池的串聯(lián)電阻（rs）可以從至少兩條在不同光強(qiáng)下測(cè)量的正偏I(xiàn)-V曲線中得出。光強(qiáng)的大小并不重要，因?yàn)樗请妷鹤兓c電流變化的比值，即曲線的斜率，就一切情況而論這才是有意義的。記住，曲線的斜率從開始到最后變化很大，我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線的遠(yuǎn)正偏區(qū)域（far-forward region），這時(shí)曲線開始表現(xiàn)出線性特征。在這一點(diǎn)，電流變化的倒數(shù)與電壓的函數(shù)關(guān)系就得出串聯(lián)電阻的值：

rs = ΔV/ΔI

到目前為止本文所討論的測(cè)量都是對(duì)暴露在發(fā)光輸出功率下，即處于正偏條件下的PV電池進(jìn)行的測(cè)量。但是PV器件的某些特征，例如分流電阻（rsh）和漏電流，恰恰是在PV電池避光即工作在反偏情況下得到的。對(duì)于這些I-V曲線，測(cè)量是在暗室中進(jìn)行的，從起始電壓為0V到PV電池開始擊穿的點(diǎn)，測(cè)量輸出電流并繪制其與加載電壓的關(guān)系曲線。利用PV電池反偏I(xiàn)-V曲線的斜率也可以得到分流電阻的大?。ㄈ鐖D5所示）。從該曲線的線性區(qū)，可以按下列公式計(jì)算出分流電阻：

rsh = ΔV Reverse Bias/ΔI Reverse Bias

圖5. 利用PV電池反偏I(xiàn)-V曲線的斜率可以得到PV電池的分流電阻。

除了在沒有任何光源的情況下進(jìn)行這些測(cè)量之外，我們還應(yīng)該對(duì)PV電池進(jìn)行正確地屏蔽，并在測(cè)試配置中使用低噪聲線纜。