2.1　太阳电池组件

2.1.1　太阳电池的工作原理

太阳电池组件的核心部分为太阳电池。太阳电池是一种将光能直接转化成电能的半导体器件，是由半导体的P-N结组成的。在没有光照的情况下，单片太阳电池的电性能等效于二极管；在光照情况下，由于光生伏特效应，单片太阳电池产生电势差，可以对外输出电能。

1.N型半导体

当纯净硅掺入少量的V族元素磷（或砷、锑等）时，由于磷（或砷、锑等）有5个价电子，硅有4个价电子，磷（或砷、锑等）在与周围的硅原子形成完整的共价键时，会多出1个价电子。这个多余的价电子极易挣脱磷原子的束缚变为自由电子，形成电子占主导的导电半导体，也称为N型半导体[1]。

2.P型半导体

当纯净硅掺入少量的Ⅲ族元素硼（或镓、铟等）时，由于硼（或镓、铟等）有3个价电子，硅有4个价电子，硼（或镓、铟等）在与周围的硅原子形成完整的共价键时，会缺少1个价电子。这样，大量的共价键上就会出现大量的空穴，形成空穴占主导的导电半导体，也称为P型半导体。

3.P-N结

将P型半导体（掺硼）和N型半导体（掺磷）紧密地结合在一起，两种导电类型不同的半导体之间就会形成一个过渡区域，也就是P-N结。在P-N结的两侧，P区内的空穴比电子多，N区内的电子比空穴多。两侧存在电子和空穴浓度不均匀的现象，造成了高浓度载流子向低浓度载流子的扩散运动。

多数载流子的扩散运动形成内建电场。在电场力的作用下，正电荷顺着电场的方向运动，负电荷逆着电场的方向运动。P-N结两侧的P区和N区存在一个电势差，称为势垒，其大小表示为

式中，q——电子电荷量，其值为1.602×10－19C；

T——热力学温度，单位为K；

k——玻耳兹曼常数；

、——N型或P型半导体材料中的电子浓度；

、——N型或P型半导体材料中的空穴浓度。

当太阳光照射到半导体的表面时，如果某些光子的能量大于等于半导体本身的禁带宽度，就可以使电子摆脱原子核的束缚，从而在半导体的内部产生电子-空穴对。这种现象就是内光电效应。发生内光电效应的实质是吸收光子的能量大于等于半导体材料本身的禁带宽度，即

式中，——光子能量；

——普朗克常量；

——光波频率；

——半导体材料的禁带宽度。

由于，其中为光速，为光波波长，所以

令，则式（2-3）表示光子的波长在小于等于的情况下才会产生电子-空穴对，其中为截止波长。P-N结的两侧出现了正电荷和负电荷的累积，形成与内建电场相反的光生电场。光生电场除了可以抵消内建电场，还会使P型半导体带正电，N型半导体带负电，产生光生电动势，即光生伏特效应。光电转换的物理过程如下：

（1）单片太阳电池吸收光子，使P-N结的两侧产生电子-空穴对，如图2-1（a）所示。

（2）在P-N结的两侧距离P-N结一个扩散长度以内所产生的电子和空穴，通过扩散的形式到达空间电荷区，如图2-1（b）所示。

（3）电子-空穴对被电场分离，P区的电子从高电位移向N区，N区的空穴从低电位移向P区，如图2-1（c）所示。

（4）在P-N结开路的情况下，由于在P-N结的两侧累积了电子和空穴，就会产生开路电压。一旦把负载连接到太阳电池上，电路中就会有电流流过，如图2-1（d）所示。若太阳电池两端短路，则电流达到最大，称为短路电流。

目前，典型的晶体硅太阳电池是以P型半导体作为基体材料的，上面一层为型，从而形成型的结构。从太阳电池顶区引出的电极是上电极，从下层引出的电极为下电极。

2.1.2　太阳电池组件的伏安特性

单片太阳电池的电流和电压一般满足不了应用需求，因而需要把单片太阳电池串联或并联在一起，并封装保护，形成太阳电池组件。根据2.1.1节太阳电池的工作原理，可建立电路模型有效模拟太阳电池与太阳电池组件的输出电性能[3]，以满足光伏系统的设计需要。现有的描述太阳电池与太阳电池组件的等效电路模型通常有两种：单二极管模型和双二极管模型。

1.单二极管模型

理想的太阳电池等效模型是并联一个二极管的电流源[4]。其中，基于三参数的单二极管模型如图2-2所示。

太阳电池的输出电流，其中按下式计算：

二极管的电压为

式（2-4）和式（2-5）中，——光生电流，单位为A；

——二极管的反向饱和电流，单位为μA；

n——二极管理想因子；

——电压，单位为V；

——串联的单片太阳电池的数量；

——玻耳兹曼常数，其值为1.381×10－23J/K；

——P-N结的温度，单位为K；

q——电子电荷量，其值为1.602×10－19C。

当时，；而当时，电压最大，此时

在相同环境条件下，太阳电池的输出功率为

理想的单二极管模型结构简单，参数较少。在复杂情况下，该模型无法体现太阳电池的输出特性。在实际的生产中，由于太阳电池生产商所采用工艺的局限性，即使是同一批生产出来的单片太阳电池，其伏安特性曲线也会有所差异。为了更精确地表示单片太阳电池的特性，在理想的单二极管模型基础上，引入串联电阻和并联电阻，等效电路主要由一个光生电流源、一个并联二极管、一个串联电阻和一个并联电阻构成。基于五参数的单二极管模型如图2-3所示。并联电阻在该模型中用表示，体现太阳电池正反向漏电流特性；用表示太阳电池串联电阻，体现太阳电池内部的电压损失。通常，值越大越好，值越小越好。

由图2-3可知，单二极管模型太阳电池的伏安（V-I）特性方程为[5]

单二极管模型因其中包含5个参数（二极管理想因子），因此常被称为五参数模型[5]。这种模型不仅适合模拟单片太阳电池，也适用于由多片太阳电池组成的组件和方阵。在不同的气象条件下，该模型可输出较准确的太阳电池参数。

2.双二极管模型

为了更准确地模拟低辐照度下太阳电池的特性，引入双二极管模型。双二极管模型中太阳电池的等效电路主要由光生电流源、两个二极管、串联电阻和并联电阻组成。基于七参数的双二极管模型如图2-4所示。

由图2-4可知，双二极管模型太阳电池的V-I特性方程可写为[6]

式中，——太阳电池的光生电流；

——单片太阳电池的串联电阻；

——单片太阳电池的并联电阻；

——太阳电池的输出电压；

——由等效二极管VD1中的电子-空穴对扩散产生的反向饱和电流；

——由等效二极管VD2中的电子-空穴对在空间电荷区复合产生的反向饱和电流；

——VD1的结构因子；

——VD2的结构因子。

、又被分别定义为

式（2-10）和式（2-11）中，，——等效二极管的理想因子；

——串联的单片太阳电池数量；

——电子电荷量，其值为1.60210－19C；

k——玻耳兹曼常数，其值为1.38110－23J/K。

双二极管模型共有7个参数，即、、、、、、，故该模型又称为七参数模型。

2.1.3　太阳电池组件在不同辐照度下的性能

太阳电池组件的主要输出特性参数有开路电压VOC、短路电流ISC、最大输出功率点电压Vm、最大输出功率点电流Im以及太阳电池组件的最大输出功率Pm等，其伏安（V-I）特性曲线如图2-5所示。

太阳电池组件的发电效率随辐照度的变化而改变。其V-I特性曲线如图2-6所示。从图中曲线可以看出，在不同的辐照度下，V-I特性曲线与横坐标轴的交点不相同，说明随着辐照度从1000W/m2开始下降，太阳电池组件的开路电压VOC也会随之减小，但减小的幅度不大[7]。太阳电池的短路电流ISC在图2-6中显示为太阳电池组件的输出特性曲线与纵坐标轴的交点。

在工程应用中，太阳电池组件在不同辐照度下的开路电压的计算公式为

式中，——太阳电池组件在标准测试条件（STC）下的电压；

——太阳电池组件电压的温度系数。

，其中为太阳电池组件的工作温度值，单位为℃；

，下标200表示在200W/m2条件；

——外界的辐照度；

——标准测试条件下的辐照度，其值为1000W/m2。

短路电流的计算公式如下：

式中，——太阳电池组件在标准测试条件下的电流；

——外界的辐照度；

——标准测试条件下的辐照度，其值为1000W/m2；

——太阳电池组件电流的温度系数；

℃。

受地域和天气的影响，太阳电池组件在很多时候都会在辐照度小于标准辐照度（1000W/m2）的情况下工作。因此，除了评估各太阳电池组件在标准条件下的工作效率，还要评估其在低于标准辐照度下（统称为低辐照度）的工作状况[8]。

2.1.4　太阳电池组件的工作温度与温度系数

太阳电池组件实际发电性能受其工作温度影响。图2-7所示为260Wp的普通多晶硅太阳电池组件在不同工作温度（15℃、25℃、35℃）下的V-I特性曲线。由图2-7可知，当太阳电池组件的工作温度为15℃时，太阳电池的开路电压VOC（V-I特性曲线与横坐标轴的交点）是三种工作温度状态下的最大值，短路电流ISC（V-I特性曲线与纵坐标轴的交点）是三者之中的最小值。随着太阳电池组件工作温度TPV的升高（TPV由15℃上升至35℃），开路电压VOC减小，短路电流ISC略微增大，填充因子（Fill Factor）减小，太阳电池的输出电性能不断降低。

当太阳电池组件的温度升高时，其工作效率会随之下降。随着太阳电池组件中太阳电池温度的升高，开路电压会减小，大约每升高1℃，太阳电池组件的电压就会减小约2mV。光生电流随着温度的升高略有上升，大约每升高1℃，太阳电池的光生电流就会增加约0.1%。总的来说，温度每升高1℃，输出功率会减少0.35%～0.5%[9]。对于不同的太阳电池，其温度系数也不一致。温度系数是太阳电池性能的评判标准之一。太阳电池组件温度系数包括电流温度系数、电压温度系数和峰值功率温度系数。

从图2-7可知，对于晶体硅太阳电池，短路电流随温度变化的影响不大，这从式（2-14）可以看出：

晶体硅太阳电池的开路电压受温度影响较大，通常的值越高，受温度的影响就越小，这从式（2-15）可以看出：

式中，——晶体硅太阳电池的温度，单位为℃；

——晶体硅太阳电池的开路电压，单位为V；

——晶体硅太阳电池的短路电流，单位为A。