光照強度對三種硅太陽能電池特性影響的實驗研究

王玉清，任新成

(1.延安大學物理與電子信息學院；2.陜西省能源大數據智能處理省市共建重點實驗室，陜西延安716000)

近年來，隨著全球經濟的不斷發展，能源短缺已成為人類面臨的最為嚴峻的挑戰之一。由于太陽能電池具有無枯竭危險、重量輕、無污染、不受資源分布地域的限制等特點，其應用越來越受到世人的關注[1-12]，太陽能發電因此被譽為是最理想的能源。掌握太陽能電池特性是充分利用太陽能的基礎，光照強度、溫度、陰影等均會影響到太陽能電池的特性，其中光照強度對太陽能電池特性的影響最大。

根據所用材料的不同，太陽能電池分為硅太陽能電池、化合物太陽能電池、有機太陽能電池等。目前硅太陽能電池發展最為成熟，在應用中占主導地位。硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。本文用實驗方法對比研究了單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池的特性與光照強度之間的關系。

1 實驗裝置

太陽能電池的實驗裝置如圖1所示，該裝置由成都世紀中科儀器有限公司研制，包括太陽能電池特性試驗儀、可變負載(電阻箱)、導軌、光源(含支架)、滑動支架、太陽能電池、光強探頭。

2 實驗內容與方法

實驗過程中光照強度的大小由光強探頭測量?？紤]到溫度以及其它光源可能對實驗構成影響，實驗時選擇了一個背光的、室溫相對穩定的暗室。

2.1 按照圖1所示連接好實驗線路，打開光源開關，預熱5 min；

2.2 光強探頭接線端口連接到太陽能電池特性測試儀的“光強輸入”接口上，測試儀設置為“光強測量”，將支架移動到距離光源較近的位置，把滑動支架固定在導軌上，記錄測量到的光強G，再根據光強與太陽能電池板的面積計算出光功率Pin；

2.3 從滑動支架上取下光強探頭，分別將各種太陽能電池板安裝到支架上，記錄對應太陽能電池的開路電壓U∞、短路電流ISC，通過改變電阻箱的阻值來改變功率分配，記錄對應太陽能電池的輸出電壓和電流，計算對應太陽能電池的輸出功率P，找到對應太陽能電池的最大輸出功率Pmax、最佳負載電阻Rmp，計算出對應太陽能電池的填充因子F·F、光電轉換效率ηS；

2.4 將滑動支架由2.2步的位置遠離光源來改變光照強度到需要的值，重復步驟2.2和2.3；

2.5 由近及遠移動滑動支架，改變光照強度，重復步驟2.4；

2.6 為了形象、直觀，畫出不同光照強度下輸出功率隨負載電阻變化的P-R曲線；開路電壓隨光照強度變化的U∞-G曲線、短路電流隨光照強度變化的ISC-G曲線；最佳負載電阻隨光照強度變化的Rmp-G曲線、填充因子隨光照強度變化的F·F-G曲線；最大輸出功率隨光照強度變化的Pmax-G曲線、光電轉換效率隨光照強度變化的ηS-G曲線。

3 實驗數據與結果

在不同的光照強度、同一太陽能電池；同一光照強度，不同的太陽能電池下，通過改變電阻箱的阻值來改變功率分配，為了獲得較可靠的結論，反反復復，記錄了大量對應的太陽能電池的輸出電壓和電流數據，鑒于篇幅，這里不設表格一一列出，其它部分實驗數據、與經過計算得到的數據見表1、表2、表3和表4。

3.1 不同光照強度下輸出功率隨負載電阻的變化

限于篇幅，這里只列出多晶硅太陽能電池在三個不同的光照強度下，輸出功率隨負載電阻變化的數據。實驗數據如表1所示。

表1 多晶硅太陽能電池在不同光照強度下輸出 功率隨負載電阻變化的數據

根據表1數據作P-R曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，對于多晶硅太陽能電池而言，在負載電阻一定時，光照強度越大，輸出功率越大，與文獻[1]實驗結果、文獻[3]模擬結果一致，最佳負載電阻在減小，與文獻[1]實驗結果一致。

實驗結果同時表明，單晶硅、非晶硅太陽能電池在不同光照強度下輸出功率隨負載電阻的變化曲線與圖2相似，在負載電阻一定時，光照強度越大，輸出功率越大，最佳負載電阻在減小，而且，相同光照強度、相同負載情況下，非晶硅太陽能電池的輸出功率最小。

3.2 光照強度對開路電壓與短路電流的影響

表2 開路電壓、短路電流隨光照強度變化的數據

根據表2數據作U∞-G曲線如圖3所示，作ISC-G曲線如圖4所示。

由圖3可以看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的開路電壓都逐漸增大，但是，開路電壓隨光照強度的變化均呈非線性關系，與文獻[1]實驗結果一致。在光照強度相同的條件下，非晶硅太陽能電池的開路電壓明顯大于單晶硅、多晶硅太陽能電池的開路電壓。

由圖4可以看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的短路電流都在逐漸增大，且短路電流隨光照強度的變化幾乎均呈線性關系，與文獻[1]實驗結果一致。在光照強度相同的條件下，單晶硅、多晶硅太陽能電池的短路電流明顯大于非晶硅太陽能電池的短路電流且單晶硅太陽能電池的短路電流最大。

3.3 光照強度對太陽能電池最佳負載電阻及填充因子的影響

表3 最佳負載電阻、填充因子隨光照強度變化的數據

根據表3數據作Rmp-G曲線如圖5所示，作F·F-G曲線如圖6所示。

由圖5能夠看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的最佳負載電阻都逐漸減小，且呈非線性關系，實驗結果與文獻[1]、文獻[2]實驗結果一致。在光照強度相同的條件下，非晶硅太陽能電池的最佳負載電阻明顯大于單晶硅與多晶硅太陽能電池的最佳負載電阻，單晶硅與多晶硅太陽能電池的最佳負載電阻非常接近，單晶硅太陽能電池的最佳負載電阻最小。

由圖6能夠看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的填充因子隨光照強度的變化曲線是振蕩的，對于單晶硅太陽能電池而言曲線振蕩的幅度較小，而對于多晶硅、非晶硅太陽能電池來說，曲線振蕩的幅度較大，所以，光照強度對填充因子的影響并無固定的規律可循。但是，在光照強度相同的條件下，多晶硅太陽能電池的填充因子最大，非晶硅太陽能電池的填充因子最小，單晶硅太陽能電池的填充因子介于兩者之間，這一點是非常明顯的。

3.4 光照強度對太陽能電池最大輸出功率及光電轉換效率的影響

表4 最大輸出功率、光電轉換效率隨光照強度變化的數據

根據表4數據作Pmax-G曲線如圖7所示，作ηS-G曲線如圖8所示。

由圖7能夠看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的最大輸出功率都在逐漸增大，與文獻[1]實驗結果、文獻[3]模擬結果一致，最大輸出功率隨光照強度的變化均幾乎呈線性關系，實驗結果與文獻[1]實驗結果一致。在光照強度相同的下，單晶硅、多晶硅太陽能電池的最大輸出功率接近，單晶硅太陽能電池的最大輸出功率最大，相比較之下，非晶硅太陽能電池的最大輸出功率非常小。

由圖8可以看出，隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的光電轉換效率隨光照強度的變化曲線幾乎與橫軸平行，即在光照強度相同的條件下，單晶硅太陽能電池的光電轉換效率最高，多晶硅太陽能電池的光電轉換效率次之，非晶硅太陽能電池的光電轉換效率很低，與文獻[12]一致。

4 結論

通過以上分析、比較，可以看出，光照強度對三種硅太陽能電池特性有顯著影響但是還是比較復雜的。

(1)隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的輸出功率、開路電壓、短路電流以及最大輸出功率都在增大，且開路電壓隨光照強度的變化均呈非線性變化，短路電流、最大輸出功率隨光照強度的變化均呈線性變化；隨著光照強度的增強，三種硅太陽能電池的最佳負載電阻都在減小，均呈非線性變化；光照強度對三種硅太陽能電池的填充因子的影響并無固定的規律可循；三種硅太陽能電池的光電轉換效率幾乎不隨光照強度的變化而變化。

(2)在相同光照強度下，非晶硅太陽能電池的開路電壓明顯大于單晶硅、多晶硅開路電壓；單晶硅太陽能電池的短路電流最大，相比之下，非晶硅太陽能電池的短路電流很??；非晶硅太陽能電池的最佳負載電阻明顯大于單晶硅與多晶硅太陽能電池的最佳負載電阻；多晶硅太陽能電池的填充因子最大，非晶硅太陽能電池的填充因子最??；單晶硅太陽能電池的最大輸出功率最大，相比較之下，非晶硅太陽能電池的最大輸出功率非常??；單晶硅太陽能電池的光電轉換效率最高，非晶硅太陽能電池的光電轉換效率很低。