2.2 光伏效应

如果产生了电能，则必定同时产生了电压和电流。在光伏电池中，电压是由“光生伏特效应”产生的。PN结对光生载流子的收集引起了电子穿过电场移向N型区，而空穴则穿过电场移向P型区。在电池外接电路短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子都参与了光生电流的流动。

2.2.1 光伏电池的伏安曲线

光伏电池的伏安曲线是二极管在黑暗时的伏安曲线与光生电流的叠加，用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程为

式中，n为二极管的理想系数；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；q为单位电荷量；I0为二极管反向饱和电流；IL为光生电流。

则伏安曲线方程为

下面讨论用于描述光伏电池特性的重要参数。短路电流（ISC）和开路电压（UOC）以及功率（P）与开路电压（UOC）之间的关系，如图2-4所示。

1.短路电流

短路电流是指当光伏电池的电压为零时，即P、N结外电路短路时流过电池的电流，通常记作ISC。对于理想的光伏电池来说，短路电流等于光生电流，因此短路电流是光伏电池输出的最大电流。短路电流的大小取决于以下几个因素：

1）光伏电池的表面积。

2）光子的数量（即入射光的强度）。光伏电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度。

3）入射光的光谱。测量光伏电池通常使用的标准为AM1.5的大气质量光谱。

4）电池的光学特性（吸收和反射），特别是玻璃覆盖层的光学特性。

5）电池的收集概率。主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。

在AM1.5大气质量光谱下的硅光伏电池，其可能的最大电流为46mA/cm²。实验室测得的数据已经达到42mA/cm²，而商业用光伏电池的短路电流在28～35mA/cm²之间。

2.开路电压

开路电压UOC是光伏电池输出的最大电压，此时输出电流为零。开路电压的大小相当于光生电流在电池两边形成的正向偏压。开路电压可参考图2-3a的伏安曲线。使式（2-2）中的I′=0，即输出电流设置成零，便可得到光伏电池的开路电压方程为

由式（2-3）可知：UOC的大小取决于光伏电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响来自于饱和电流。实验室测得的单个硅光伏电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用光伏电池通常为600mV。

2.2.2 电阻效应

1.特征电阻

光伏电池的特征电阻就是电池在输出最大功率时的输出电阻，如图2-5所示的C点。如果外接负载的电阻大小等于电池本身的输出电阻，那么电池输出的功率达到最大，即工作在最大功率点。此参数在分析光伏电池特性、研究寄生电阻损失时非常重要。

特征电阻也可以写成

RCH=Ump/Imp=UOCISC （2-4）

2.寄生电阻

光伏电池的电阻效应消耗了电池的能量，降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻Rs和并联电阻Rsh，如图2-6所示的电池单二极管的等效电路。

3.串联电阻

引起串联电阻的因素有三种：①穿过光伏电池发射区和基区的电流；②金属电极与PN结之间的接触电阻；③顶部和背部的金属电阻。

串联电阻对光伏组件的I-U输出特性曲线在最大功率点附近的形状有着较大的影响，并且光伏组件的效率随着串联内阻近似呈指数减少。图2-7所示为串联内阻分别为参考值以及参考值的2倍和1/2时，光伏组件的I-U输出特性曲线，外部环境参数为温度=25℃、光照强度=1000W/m²。

4.并联电阻

并联电阻Rsh造成的功率损失通常是由制造缺陷引起的，并联电阻以分流的形式造成功率损失，减小了流经PN结的电流，同时还降低了光伏电池的电压。在光强很低的情况下，并联电阻对电池的影响最大，因为此时光伏电池的电流很小。

并联电阻对I-U特性曲线的影响没有串联电阻对I-U特性曲线的影响明显。

5.串、并联电阻的共同影响

当并联电阻和串联电阻同时存在时，光伏电池的电流I与电压U关系为

2.2.3 其他效应

1.温度效应

温度是影响光伏组件输出特性的重要外部环境因素之一。图2-8所示为光照强度等于1000W/m²时，光伏组件在15℃、25℃和35℃时的I-U输出特性曲线。

如图2-8所示，在温度为15℃时，小于标准检测环境中的温度标准（T=25℃），光伏组件的短路电流变化较小，比标准检测温度时略微下降，而开路电压的变化相对较明显，比标准检测温度下增加1V左右；在温度为35℃时，大于标准检测温度时，光伏组件的短路电流变化也较小，比标准检测温度下略微增加，而开路电压则较标准检测温度时减小1V左右。综上所述，光伏组件的输出电流与温度成正比关系，但变化较小，在温差为10℃时，电流变化约为0.04A；光伏组件的输出电压与温度成反比关系，变化相对较大，在温差为10℃时，电压变化约为1V。

2.光强效应

光照强度是影响光伏组件输出特性的另一个重要外部因素之一。图2-9所示为标准检测温度（25℃）下光伏组件在不同光照强度下的I-U输出特性曲线，光照强度分别为1000W/m²、750W/m²以及500W/m²。

如图2-9所示，光伏组件的短路电流与光照强度成正比，变化比较大，光照强度每增加250W/m²，组件的短路电流增加约1A；开路电压随光照强度的变化并不明显，趋势是随着光照强度的增加开路电压略有增加，光照强度每增加250W/m²，组件的开路电压增加0.5V左右。由图2-10所示的P-U特性曲线可知，随着光照强度的增加，组件的输出功率也将相应地增加，特别是最大功率点相差最大。