7-寄生電阻對(duì)電池性能的影響

1、寄生電阻對(duì)太陽電池發(fā)電能力的影響曹曉寧1聞?wù)鹄?蘭云鵬1吳達(dá)1（1.中廣核太陽能開發(fā)有限公司100048;2.鎮(zhèn)江大全太陽能有限公司212211）大陽能光伏發(fā)電是利用太陽電池將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種技術(shù)，是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。太陽電池是這種技術(shù)的關(guān)鍵元件，太陽電池最初被用于太空衛(wèi)星和航天器，隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，太陽電池地面開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展迅速，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，光伏產(chǎn)業(yè)異軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。太陽電池是光伏發(fā)電的核心元件，其效率和性能直接決定了光伏電站的發(fā)電效率，如何進(jìn)一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，降低成本一直都是光伏產(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的問題，而隨著光

2、伏電站的安裝容量逐漸增加，針對(duì)太陽電池組件的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高光伏電站的效率，也越來越受到重視。1太陽電池的原理太陽電池是利用光生伏特效應(yīng)把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其本質(zhì)上就是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)太陽光照射到電池表面是，被吸收的光子會(huì)在P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，當(dāng)電子空穴對(duì)擴(kuò)散至PN結(jié)的空間電荷區(qū)，在PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下而分離，電子移向低電位N區(qū)，空穴移向P區(qū)，由于電子和空穴的積累，P區(qū)和N區(qū)間就產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)如果接通電路，就會(huì)形成電流，實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。金屬柵線電極減反射膜住型覽射極p型襯馬全屬背接融圖1-1太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖2太陽電池

3、的等效電路當(dāng)光照條件下的太陽電池接入負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓，這時(shí)太陽電池的工作狀況可以用圖1-2所示的等效電路來描述。圖中把太陽電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流IL的電流源（只要光源穩(wěn)定），與之并聯(lián)的有一個(gè)處于正偏壓下的二極管及一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh。顯然，二極管的正向電流ID=I0（eqV/nkT-l）和旁路電流Ish都要靠IL提供，剩余的光電流經(jīng)過一個(gè)串聯(lián)電阻RS流出太陽電池進(jìn)入負(fù)載RL。圖l-2太陽電池等效電路圖3.影響電池效率的參數(shù)當(dāng)太陽電池兩端的負(fù)載Rl從零變到無窮大時(shí)，即可畫出如圖所示的太陽電池的負(fù)載特性曲線。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻Rt到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M,對(duì)

4、應(yīng)Lm的工作電流Im和工作電壓Vm之積最大.即Pm=ImVm，我們稱M點(diǎn)為太陽電池的最佳工作點(diǎn)，Im為最佳工作電流，Vm為最佳工作電壓，Rm為最佳負(fù)載電阻，Pm為最大輸出功率。最大輸出功率與（Vocxlsc）之比稱為填充因子（F.F）,也就是圖1-3中四邊形OImpMVmp與四邊形OIscAVoc面積之比，這是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指標(biāo)之一。PVIF.F=mmPmP（1.1）VIVIocscocsc填充因子表征太陽電池的優(yōu)劣，在一定光強(qiáng)下，F(xiàn).F越大，最大輸出功率也越高。F.F與入射光強(qiáng)、反向飽和電流、A因子、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻密切相關(guān)。太陽電池受光照時(shí)，輸出電功率與輸入光功率之比

5、n稱為太陽電池的效率。即：PIVP=m=mpAPAPtintin(FF)IV=scocAJ00(九)hcdXt0九.(1.2)其中At是包含柵線圖形面積在內(nèi)的太陽電池總面積；P=AL（九）是單mt0入位面積內(nèi)入射光功率。由上式可知電池的開路電壓、短路電流和填充因子這三個(gè)量是決定光電轉(zhuǎn)換效率的基本參數(shù)，為了提高效率這三個(gè)參數(shù)都必須做的盡可能的高，以達(dá)到其乘積最大。太陽電池的短路電流可近似認(rèn)為等于光生電流，所以短路電流與入射光強(qiáng)成正線性變化關(guān)系，開路電壓主要是由太陽電池的材料的禁帶寬度決定，隨著光強(qiáng)的改變變化不大，如圖1-4所示。OVVVmpoc圖1-3太陽電池I-V特性曲線過啟徑nu圖1-4不同

6、輻照強(qiáng)度太陽電池的I-V曲線4寄生電阻對(duì)電池效率的影響在太陽電池中，電阻效應(yīng)是以在電阻上消耗能量的形式降低電池的效率。其中最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，正如前面的等效電路所示。太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有三種：第一，穿過電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電流流動(dòng)；第二，金屬電極與硅之間的接觸電阻；第三便是頂部和背部的金屬電阻。串聯(lián)電阻對(duì)電池的主要影響是減小填充因子，串聯(lián)電阻過大時(shí)還會(huì)減小短路電流。太陽電池的并聯(lián)電阻是由漏電流引起的，如太陽電池中的產(chǎn)生一復(fù)合5.4%=比圧%(generation-recombination)電流、表面復(fù)合(surface-recombination)電流、電池邊緣

7、隔離不完全以及金屬電極穿透P-N結(jié)等都將產(chǎn)生漏電流?？捎貌⒙?lián)電阻來表示太陽電池的漏電流的大小，需要說明的是，并聯(lián)電阻并不是真實(shí)存在的電阻，是一個(gè)用來表征太陽電池的漏電流大小和自身能量消耗的等效物理參數(shù)，寄生電阻會(huì)影響太陽電池的填充因子，對(duì)電池效率有很大的影響，為了提高太陽電池的效率，我們希望串聯(lián)電阻越小越好，并聯(lián)電阻越大越好，圖1-5給出了寄生電阻對(duì)電池I-V曲線的影響，可以清楚的看到寄生電阻對(duì)太陽電池的填充因子產(chǎn)生很大的影響。v12.2躺5000.11.7%2002,1洌100U,10.2少石51站殳£澗uo0.1打一2gG.4UfFT(V5圖1-5串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對(duì)太陽電池I-

8、V曲線的影響現(xiàn)在我們對(duì)串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對(duì)最大輸出功率的影響進(jìn)行近似的計(jì)算，首先我V們定義一下太陽電池的特征電阻：Rch產(chǎn)，當(dāng)考慮串聯(lián)的電阻的影響時(shí)，mp太陽電池的最大輸出功率如下：1-mpRVs丿mp帶入特征電阻即得P'mp二PmpidIRch丿(1.3)當(dāng)考慮并聯(lián)電阻的影響時(shí)，太陽電池的最大輸出功率如下：P'UVImpmpmpV2mpRsh(二VI1-mpmpVmpImpRshP'UVI-12R二VImpmpmpmpsmpmp(R)帶入特征電阻即得P'二P1于(1.4)mpmpRsh從上面整理的公式可以清楚的看到，串聯(lián)電阻越小，并聯(lián)電阻越大，太陽電池的輸出率

9、越大，即效率也越高。通常所說的電池效率是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的效率，即溫度25°C，光譜分布AM1.5，輻照強(qiáng)度是1000W/m2，但是在實(shí)際情況下，照射到太陽電池的光照強(qiáng)度是時(shí)刻變化的，而且一般都小于標(biāo)準(zhǔn)條件的1000W/m2。根據(jù)太陽電池的I-V特性和特征電阻RCh的定義，在不同的光照條件下RCh是變化的，輻照強(qiáng)度越大，Rch越小，由公式1.3可知這時(shí)串聯(lián)電阻引起的功率損失越大，由公式1.4可知這時(shí)并聯(lián)電阻引起功率損失越?。惠椪諒?qiáng)度越小，Rch越小，串聯(lián)電阻引起的功率損失越小，而并聯(lián)電阻引起功率損失越大。在實(shí)際情況中，輻照強(qiáng)度都會(huì)小于的1000W/m2，因此應(yīng)該重視并聯(lián)電阻對(duì)低輻照度情況下太陽電池功率的影響，在光強(qiáng)變低時(shí)，并聯(lián)電阻對(duì)電池的影響將慢慢變大，因此隨著輻照強(qiáng)度變小，當(dāng)太陽電池的特征電阻會(huì)變大直至接近并聯(lián)電阻的大小。當(dāng)這兩種電阻大小相近時(shí)，分流到并聯(lián)電阻的電流將增加，即增加了并聯(lián)電阻的能量損失。結(jié)果是，在多云的天氣下，并聯(lián)電阻大的太陽電池能比并聯(lián)電阻小的太陽電池輸出功率大，發(fā)電量也大。5.總結(jié)寄生電阻會(huì)對(duì)太陽電池的填充因子產(chǎn)生很大的影響，直接影響標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽電池的效率?？紤]到太陽電