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寄生电阻对太阳电池发电能力的影响

`清洁能源网   2012 年 06 月 26 日 14:50   来源:清洁能源网

  导语:大阳能光伏发电是利用太阳电池将光能直接转换成电能的一种技术,是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,发展前景广阔。太阳电池是这种技术的关键元件,太阳电池最初被用于太空卫星和航天器,随着能源危机的出现,太阳电池地面开发利用技术发展迅速,经过近半个世纪的努力,光伏产业异军突起,成为能源工业的一支生力军。

  大阳能光伏发电是利用太阳电池将光能直接转换成电能的一种技术,是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,发展前景广阔。太阳电池是这种技术的关键元件,太阳电池最初被用于太空卫星和航天器,随着能源危机的出现,太阳电池地面开发利用技术发展迅速,经过近半个世纪的努力,光伏产业异军突起,成为能源工业的一支生力军。太阳电池是光伏发电的核心元件,其效率和性能直接决定了光伏电站的发电效率,如何进一步提高太阳电池的转换效率,降低成本一直都是光伏产业界最关心的问题,而随着光伏电站的安装容量逐渐增加,针对太阳电池组件的特性进行设计优化,提高光伏电站的效率,也越来越受到重视。

  1.太阳电池的原理

  太阳电池是利用光生伏特效应把太阳能直接转换成电能的半导体器件,其本质上就是一个大面积的PN结,当太阳光照射到电池表面是,被吸收的光子会在P区和N区产生电子-空穴对,当电子空穴对扩散至PN结的空间电荷区,在PN结的内建电场作用下而分离,电子移向低电位N区,空穴移向P区,由于电子和空穴的积累,P区和N区间就产生了光生电动势,这时如果接通电路,就会形成电流,实现太阳能到电能的转换,其结果如图1-1所示。

图1-1 太阳电池结构示意图

  2.太阳电池的等效电路

  当光照条件下的太阳电池接入负载时,光生电流流经负载,并在负载两端建立起端电压,这时太阳电池的工作状况可以用图1-2所示的等效电路来描述。图中把太阳电池看成能稳定地产生光电流IL的电流源(只要光源稳定),与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh。显然,二极管的正向电流ID=I0(eqV/kT-1)和旁路电流Ish都要靠IL提供,剩余的光电流经过一个串联电阻Rs流出太阳电池进入负载RL。

图1-2 太阳电池等效电路图

  3.影响电池效率的参数

  当太阳电池两端的负载RL从零变到无穷大时,即可画出如图所示的太阳电池的负载特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时,在曲线上得到一点M,对应的工作电流Im和工作电压Vm之积最大.即Pm=ImVm,我们称M点为太阳电池的最佳工作点,Im为最佳工作电流,Vm为最佳工作电压,Rm为最佳负载电阻,Pm为最大输出功率。

  最大输出功率与(Voc×Isc)之比称为填充因子(F.F),也就是图1-3中四边形OImpMVmp与四边形OIscAVoc面积之比,这是用以衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一。

……………………………………………….…(1.1)

  填充因子表征太阳电池的优劣,在一定光强下,F.F越大,最大输出功率也越高。F.F与入射光强、反向饱和电流、A因子、串联电阻和并联电阻密切相关。

  太阳电池受光照时,输出电功率与输入光功率之比η称为太阳电池的效率。即:

…………………………………….(1.2)

  其中At是包含栅线图形面积在内的太阳电池总面积; 是单位面积内入射光功率。

  由上式可知电池的开路电压、短路电流和填充因子这三个量是决定光电转换效率的基本参数,为了提高效率这三个参数都必须做的尽可能的高,以达到其乘积最大。

  太阳电池的短路电流可近似认为等于光生电流,所以短路电流与入射光强成正线性变化关系,开路电压主要是由太阳电池的材料的禁带宽度决定,随着光强的改变变化不大,如图1-4所示。

图1-3 太阳电池I-V特性曲线

图1-4 不同辐照强度太阳电池的I-V曲线

  4.寄生电阻对电池效率的影响

  在太阳电池中,电阻效应是以在电阻上消耗能量的形式降低电池的效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻,正如前面的等效电路所示。

  太阳能电池中,引起串联电阻的因素有三种:第一,穿过电池发射区和基区的电流流动;第二,金属电极与硅之间的接触电阻;第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子,串联电阻过大时还会减小短路电流。

  太阳电池的并联电阻是由漏电流引起的,如太阳电池中的产生-复合(generation - recombination)电流、表面复合(surface -recombination)电流、电池边缘隔离不完全以及金属电极穿透 P-N结等都将产生漏电流。可用并联电阻来表示太阳电池的漏电流的大小,需要说明的是,并联电阻并不是真实存在的电阻,是一个用来表征太阳电池的漏电流大小和自身能量消耗的等效物理参数,

  寄生电阻会影响太阳电池的填充因子,对电池效率有很大的影响,为了提高太阳电池的效率,我们希望串联电阻越小越好,并联电阻越大越好,图1-5给出了寄生电阻对电池I-V曲线的影响,可以清楚的看到寄生电阻对太阳电池的填充因子产生很大的影响。

                                 图1-5 串联电阻和并联电阻对太阳电池I-V曲线的影响

  现在我们对串联电阻和并联电阻对最大输出功率的影响进行近似的计算,首先我们定义一下太阳电池的特征电阻: ,当考虑串联的电阻的影响时,太阳电池的最大输出功率如下:

  带入特征电阻即得 …………………………………(1.3)

  当考虑并联电阻的影响时,太阳电池的最大输出功率如下:

  带入特征电阻即得 ………………………………………….(1.4)

  从上面整理的公式可以清楚的看到,串联电阻越小,并联电阻越大,太阳电池的输出率越大,即效率也越高。通常所说的电池效率是标准测试条件下的效率,即温度25℃,光谱分布AM1.5,辐照强度是1000W/m2,但是在实际情况下,照射到太阳电池的光照强度是时刻变化的,而且一般都小于标准条件的1000W/m2。

  根据太阳电池的I-V特性和特征电阻RCH的定义,在不同的光照条件下RCH是变化的,辐照强度越大,RCH越小,由公式1.3可知这时串联电阻引起的功率损失越大,由公式1.4可知这时并联电阻引起功率损失越小;辐照强度越小,RCH越小,串联电阻引起的功率损失越小,而并联电阻引起功率损失越大。

  在实际情况中,辐照强度都会小于的1000W/m2,因此应该重视并联电阻对低辐照度情况下太阳电池功率的影响,在光强变低时,并联电阻对电池的影响将慢慢变大,因此随着辐照强度变小,当太阳电池的特征电阻会变大直至接近并联电阻的大小。当这两种电阻大小相近时,分流到并联电阻的电流将增加,即增加了并联电阻的能量损失。结果是,在多云的天气下,并联电阻大的太阳电池能比并联电阻小的太阳电池输出功率大,发电量也大。

  5.总结

  寄生电阻会对太阳电池的填充因子产生很大的影响,直接影响标准测试条件下太阳电池的效率。考虑到太阳电池的实际工作情况,在不同辐照情况下的寄生电阻也会对太阳电池的输出功率也会产生影响,尤其是并联电阻,应该要重视其在地辐照强度下对太阳电池输出功率的影响,应该制定相应的测试方法和要求来衡量并联电阻对太阳电池实际发电量的影响,并将其纳入相关标准,以推进太阳电池生产工艺的提高,同时可以光伏电站的系统效率和发电量。

> 关键词:寄生电阻  太阳电池    




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