太阳能电池的动态模型和动态特性

王宝文

阳光电源股份有限公司 安徽合肥 230088

近年来，随着科技技术的不断发展，老百姓对能源的需求量也在逐年增加。在众多能源中，太阳能作为一种清洁型可再生能源，也是人类接触最早的能源之一，由它衍生出的光伏发电以及光热发电系统正逐渐改变我国能源紧缺的困境。因此，分析研究太阳能电池的动态特性并建立动态模型，对我国研究以及利用太阳能具有至关重要的意义。

1 太阳能电池的内涵

太阳能电池最早出现在上世纪五十年代的美国，并从此开启了它的新纪元。而太阳能电池的发展历程中，衍生出许多不同类别，相应的转换频率也得到了显著提升。目前，我国太阳能电池按照材料可以分为以下三大类，即硅材料半导体、有机半导体以及多元化合物半导体[1]。

2 太阳能电池的动态模型

经过有关专家学者的长期研究表明，太阳能电池光电流减去暗电流就可以得到它的输出电流。而在对基尔霍夫电流定理研究之后可以发现，太阳能电池动态模型的最佳状态应该为等效结电容、光生电流源以及理想二极管的并联电路。如果考虑引线的寄生电感以及寄生电阻，就可以得到实际的太阳能电池动态模型。具体如图1所示。其中，RD为二极管的小信号动态电阻，CD等效结电容。

图1 太阳能电池的动态模型

3 太阳能电池的动态特性

3.1 太阳能电池特性分析

（1）太阳电池等效电路的最佳状态。太阳能电池中的电流，主要由相反方向的光电流以及暗电流叠加而成，为了便于对太阳能电池的伏安特性进行表述，通常会把光生电流的方向来当作电流的正方向。太阳能电池光照下的伏安特性曲线，会在输出电压较小时，让电流基本处于恒定状态；在输出电压逐步增加的同时，暗电流也会随之增加；当电池达到开路电压时，暗电流就可以完全抵消光电流。太阳能电池的核心是PN结，由此可见，太阳能电池等效电路的最佳状态应该是稳定的恒流源以及单向导通的二极管并列。

（2）寄生电阻对太阳能电池的影响。现实生活中的太阳能电池，它的部分能量会在电池边缘的漏电源以及各种电阻上耗散，其效果可以等效为太阳能电池自身串联电阻以及分流电阻。其中，串联电阻的构成部件有以下几种，即引线、前表面、背表面的接触电阻，基区与发射区的电阻及材料电阻等；而分流电阻则会在太阳能电池的制备阶段产生，在这一过程中会出现微裂痕以及划痕等缺陷，并在这些部位产生金属电桥漏电短路等现象，这正是诱发分流电阻的主要原因。

3.2 在光照发生变化时太阳能电池的光电流

当太阳光照发生改变时，过剩载流子会在漂移、扩散以及复合等过程中会受光照影响，而让它本身的分布情况发生改变。想要得出瞬态过程中的过剩载流子含量或者浓度，可以通过以下公式计算得出：

在公式中，δn（x，t）代表的是t时刻、P区x处的过剩少数载流子的浓度；Dn为电子扩散系数；α为材料的光吸收系数；e（t）为入射光的光强；G（x）=k1e（t）e-α（x-xp）为 x 处的过剩载流子的产生率。

3.3 温度对太阳能电池暗电流的影响

对于太阳能电池而言，它的暗电流主要来源于以下两个方面：第一，来自不可避免的辐射复合；第二，在太阳能电池的制作以及电池材料本身出现问题而产生的暗电流。这些杂质或者缺陷会形成大量的复合中心，并会损失光生载流子。温度想要对太阳能电池造成影响，只有通过暗电流才能有效。在常温下，复合中心的温度越高，则对转化效率的影响就越大，而在复合中心温度慢慢降低的同时，这种影响也会逐渐衰退。这是因为在低温环境下，电子的热速度也会慢慢降低，这就使得复合中心能够俘获载流子的概率也会随之减少。

4 实验研究

为了验证太阳能电池的动态特性，采用10W单晶硅太阳能电池板，在实验室构建了基于LED灯和超级电容的太阳能电池动态特性实验平台。考虑到现有照明灯具中，LED的动态响应性最快，因此实验中采用216W的LED灯作为太阳能电池的光源。给出了一定光强下，LED灯的端电压波形与太阳能电池的光电流波形。可以看出，LED灯端电压突变后，太阳能电池的光电流经过5μs达到稳态值。这是因为LED灯施加端电压、流通电流和发光三者之间存在延时，且LEM电流传感器也存在延时效应。因此，可以近似认为光电流iSC（t）与光强e（t）同规律变化，无惯性环节。验电路[2]。由于暗电流阶跃响应的峰值较大，可能导致普通稳压源的输出电压瞬间跌落，所以实验中采用超级电容作为电压源，其端电压略高于太阳能电池的开路电压，且太阳能电池被完全遮蔽。可见，通过电压突变时太阳能电池的暗电流阶跃响应波形，可以方便地测定太阳能电池的少数载流子寿命。

综上所述，太阳能作为一种可再生的清洁能源，它的研究应用是现阶段所有业内人士需要花费大量时间以及精力去完成的任务。而研究太阳能电池的动态模型以及动态特性，可以在很大程度上提升光伏发电以及光热发电系统的使用效率。因此，相关企业或者人员一定要对这一问题加以重视，从而为未来我国太阳能电池事业的可持续发展提供保障。