【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根據(jù)測(cè)量得到的有限 I、V 點(diǎn)準(zhǔn)確地得到太陽(yáng)電池的 IV 曲線問(wèn)題。關(guān)于 IV 曲線算法方法很多，有采用自適應(yīng)偽蒙特卡羅法、自適應(yīng)搜索算法、數(shù)論方法、解析模型法等，下面對(duì)幾種方法做一下簡(jiǎn)單的介紹:(1)自適應(yīng)搜索算法(自適應(yīng)偽蒙特卡羅法)以太陽(yáng)電池等效電路的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)建立目標(biāo)函數(shù)，擬合時(shí)利用自適應(yīng)搜索算法來(lái)隨機(jī)地確定收縮比，即用第 t 次擬合中的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定 t+1 次的最優(yōu)參數(shù)可取值范圍，使各步中目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)空間構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)決策序列。擬合結(jié)果表明該算法比直接采用序貫數(shù)論優(yōu)化算法(SNTO)具有更少的計(jì)算量，更高的收斂性。(2)通過(guò)建立不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定算法通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池的等效電路數(shù)學(xué)模型的分析，根據(jù)測(cè)得的有限點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用簡(jiǎn)單的線性最小二乘擬合，得出擬合函數(shù)。雙指數(shù)數(shù)學(xué)模型擬合精度較高，計(jì)算較容易，為擬合太陽(yáng)電池的 IV 曲線提供了一個(gè)新的方法。(3)數(shù)論方法通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池?cái)?shù)學(xué)模型方程的分析，指出該方程為超越方程，常用的一元線性回歸 NewGass 不適用，參照目前數(shù)學(xué)界關(guān)于非線性研究的最新成果，選用線性規(guī)劃中的單純形法，解決了該超越方程問(wèn)題。數(shù)論的方法是一種較新的算法，它的擬合精度較高，而且它能將其余的太陽(yáng)電池參數(shù):串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、光生電流、反向飽和電流等確定下來(lái)。 本課題研究的主要內(nèi)容及目標(biāo)（1）本課題的主要內(nèi)容是進(jìn)行總體方案論證、光學(xué)系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究、軟件設(shè)計(jì)與誤差分析?！駵y(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)如下：電壓：0~50V，分 為0~10V，0~25V，0~50V三檔；電流：0~10A，分為 0~lA，0~5A ，0~10A三檔；分辨率：電壓：1mV電流：1mA(最小測(cè)試量程下)；輻照不均勻度：177。3％；計(jì)算機(jī)屏幕顯示：太陽(yáng)電池各項(xiàng)參數(shù)、IV曲線?！駵y(cè)試系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計(jì)重點(diǎn)：選擇合理的光源；測(cè)試檔位的自動(dòng)選擇；解決各種干擾問(wèn)題；IV曲線擬合的精確性。（2）本課題研究的主要目標(biāo)是研究可滿足太陽(yáng)電池測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)不同的電流和電壓參數(shù)自動(dòng)選擇合適的測(cè)量范圍，準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)參數(shù)。通過(guò)太陽(yáng)電池測(cè)試系統(tǒng)得到的參數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣。完善太陽(yáng)電池測(cè)試系統(tǒng)有利于研究電池特性，進(jìn)而改善電池性能。 第二章 太陽(yáng)電池測(cè)試原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)電池的基本原理太陽(yáng)電池的基本原理與一般硅太陽(yáng)電池的基本原理是相同的，也是直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電壓。當(dāng)太陽(yáng)電池受到光照時(shí)，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別產(chǎn)生電子空穴對(duì)。由于從太陽(yáng)電池表面到體內(nèi)入射光強(qiáng)度成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，從而產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達(dá)PN結(jié)n區(qū)邊界時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留在n區(qū)。同理，從p區(qū)產(chǎn)生的光生電子到達(dá)PN結(jié)區(qū)p側(cè)邊界時(shí)，立即被內(nèi)建電場(chǎng)拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)。同樣，空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子 空穴對(duì)則自然被內(nèi)建電場(chǎng)分別拉向n區(qū)和p區(qū)。PN結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場(chǎng)分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。上述過(guò)程通常稱作光生伏打效應(yīng)或光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)電池的兩端接上負(fù)載， 這些分離的電荷就形成電流 [3,4]。由上面的分析可知，由光照產(chǎn)生的電流與 PN 結(jié)反向電流方向相同。根據(jù)電子學(xué)理論 [5]，PN 結(jié)的整流特性為： (21)0exp1DqvIAKT??????????????其中： 為PN結(jié)的電流(A)； 為二極管的反向飽和電流(A) ；q為電子的電荷DI0量(1． 6 C)；V為結(jié)電壓(太陽(yáng)電池的輸出電壓 )，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)等于負(fù)載電910?壓(V)；A為二極管質(zhì)量因子，其值在l~ 2之間；K為波爾茲曼常數(shù) (1．38)；T 為絕對(duì)溫度 (K)。KJ/23?太陽(yáng)電池的暗特性與PN結(jié)的整流特性相同，如圖21(a)所示，照明時(shí)暗特性曲線下移，成為明特性曲線，如圖21(b)所示，由于這時(shí)太陽(yáng)電池特性曲線是在第四象限，與習(xí)慣上不同，所以改變電流的參考正方向，以坐標(biāo)的負(fù)方向?yàn)檎齾⒖挤较?，即得到通常所?jiàn)的太陽(yáng)電池IV特性曲線，如圖 22所示。IVIVN P PNV V + +II s c（a）整流特性（暗特性） （b）明特性 圖 21 PN 結(jié)特性IV0I s cV o c 圖 22 太陽(yáng)電池 IV 特性曲線 太陽(yáng)電池的等效電路太陽(yáng)電池與一般的硅太陽(yáng)電池的等效電路原理是一致的，都可用二極管D、恒流源 、結(jié)電容 、串聯(lián)電阻 與并聯(lián)電阻 組成的電路來(lái)表示，當(dāng)LIjCSRsh太陽(yáng)電池接上負(fù)載并接受光照時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載 ，并在負(fù)載兩端建立起LR端電壓V [6]。把太陽(yáng)電池看成能穩(wěn)定產(chǎn)生光電流 的恒流源(在實(shí)驗(yàn)中必須保證I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并聯(lián)電阻 (也稱跨導(dǎo)sh電阻) 。顯然，恒流源 分流為二極管的正向電流 如公式（21）和旁路電流LI D，以及經(jīng)過(guò)串聯(lián)電阻 和負(fù)載 的電流。shI SRL太陽(yáng)電池負(fù)載電壓V、結(jié)電流 、負(fù)載電流 的大小都與負(fù)載電阻 有關(guān)，DIILR但 并不是唯一的決定因素。并且在大多數(shù)情況下，太陽(yáng)電池的等效電路都不LR考慮結(jié)電容 的影響 [7]，在不考慮結(jié)電容的情況下，其直流簡(jiǎn)化等效電路圖如jC23所示。R LR sI DR s hI s hVI LI圖23 太陽(yáng)能光電池的直流簡(jiǎn)化等效電路為低阻值，小于1 歐姆；而 為高阻值，約幾千歐姆。顯然，由圖可得負(fù)SRshR載電流 [4]為： （2????0exp1ssLLDshL hqvIIRIIIAKT?????????????????2）其中： 為太陽(yáng)電池的輸出電流； 為太陽(yáng)電池輸出電壓； 為太陽(yáng)電池在光I VLI照下產(chǎn)生的恒流電流； 為太陽(yáng)電池反向飽和電流(暗電流)； 為單位電荷；ADI q為二極管曲線因子；K為普朗克常量；T為太陽(yáng)電池PN結(jié)的絕對(duì)溫度； 為等SR效串聯(lián)電阻，其值在幾十毫歐～幾百毫歐之間； 為等效并聯(lián)電阻，其值在幾shR百歐～幾千歐； 為負(fù)載電阻。LR一般的 ，故可以忽略 的影響，將式22化簡(jiǎn)為：Ssh?:sh (23a)??0exp1sLqvIIAKT???????????????? (23b)0 0lnlnLLS SAKTIIVRICRIq?????????????其中， 為已知常數(shù)。C?當(dāng)負(fù)載 從0變化到無(wú)窮的時(shí)候，就可以根據(jù)上式畫(huà)出太陽(yáng)電池的負(fù)載特LR性曲線，即伏安特性曲線。曲線上的每一點(diǎn)稱為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線，斜率為1/ ，工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)即為相應(yīng)的工作電壓和工LR作電流。若改變負(fù)載電阻 到達(dá)某一個(gè)特定值 ，此時(shí)曲線上得到一個(gè)點(diǎn)mRM，對(duì)應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大( )，我們就稱這點(diǎn)M為該VIP??薄膜太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)。其中， 為最佳工作電流， 為最佳工作電壓,mIm為最佳負(fù)載電阻， 為最大輸出功率，負(fù)載特性曲線如下圖24所示。mRmPIV0I s cV o cAMI mV m1 / R m圖24太陽(yáng)電池負(fù)載特性曲線由式(21)可以得到太陽(yáng)電池的暗電流 。事實(shí)上，在不同的電壓范圍時(shí)，DI暗電流 的決定因素不同。高電壓時(shí)， 主要由電中型區(qū)的注入電流決定；低DI電壓時(shí)， 主要由空間電荷區(qū)的復(fù)合電流決定。為了盡可能減小數(shù)學(xué)模型與實(shí)際物理模型的偏差，可以綜合考慮這兩種情況，將暗電流 表示成雙指數(shù)的形DI式。這就是雙指數(shù)太陽(yáng)電池電路模型，如圖 25 所示 I LI s hR LR sD 1D 2I D 1II D 2R s hV 圖25 太陽(yáng)電池雙指數(shù)電路模型根據(jù)電路模型可以得到以下函數(shù)關(guān)系： (24)SHTSDKDL RIVKAIITAIRVI ??????????????????????????????? 1exp1exp22131式中： 和 是電中性區(qū)的反向飽和電流和曲線因子； 和 是空間電荷區(qū)1 2DIA的反向飽和電流和曲線因子。太陽(yáng)電池的雙指數(shù)模型不僅考慮了 和 對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響，用指SRH數(shù)的形式概括地表示了不同機(jī)制產(chǎn)生的暗電流，而且將不同電壓范圍內(nèi)的暗電流決定因素也考慮在內(nèi)，因而有更高的精度和使用價(jià)值。同時(shí)它也為 IV 的曲線擬合提供了更精確的數(shù)據(jù)模型。 太陽(yáng)電池參數(shù)的定義由伏安特性可以得到太陽(yáng)電池幾個(gè)重要參數(shù) [2]：（1）開(kāi)路電壓 ：負(fù)載開(kāi)路是太陽(yáng)電池兩端的電壓，即I = 0時(shí)的V 值；oc（2）短路電流 ：負(fù)載短路時(shí)太陽(yáng)電池的輸出電流；s（3）最大輸出功率 ：光強(qiáng)一定時(shí)，改變負(fù)載電阻大小，使I、V 乘積maxP為最大的狀態(tài)（最佳工作狀態(tài)）下，太陽(yáng)電池的輸出功率；（4）最佳工作電壓 和電流 ：最佳工作狀態(tài)下太陽(yáng)電池輸出的電壓和I電流；（5）填充因子FF ：太陽(yáng)電池的最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積的百分比；式中 為光電池在負(fù)載上的最大輸出功率； FF表明光電池能夠?qū)axP外提供的最大輸出功率的能力；（6）光電轉(zhuǎn)換效率 ：太陽(yáng)電池的最大輸出功率與入射到電池表面上的FE總輻射功率的百分比。顯然，從以上的定義可以得出參數(shù)間有以下的簡(jiǎn)單關(guān)系： （2maxmPIV??5） （2ax10%scoFI6） （2max 10%mscoFinininPVFIVEP?????7）其中 為入射到太陽(yáng)電池上的總功率。由各參數(shù)間的關(guān)系可知，特性優(yōu)質(zhì)in的太陽(yáng)電池就能獲得較大的功率輸出。 太陽(yáng)電池伏安特性曲線測(cè)量原理伏安特性是太陽(yáng)電池最主要的特性，能直接反映出太陽(yáng)電池的輸出功率。在一定陽(yáng)光照射下，這曲線完全由電池的PN結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。 伏安特性的一般測(cè)量方法伏安特性的一般測(cè)量采用的是二線制測(cè)試法，如圖26示。設(shè)圖中的電壓表和電流表均為理想表，即電壓表的內(nèi)阻無(wú)窮大，電流表的內(nèi)阻為零。在測(cè)試線路中，將測(cè)試導(dǎo)線電阻與各種其它電阻（如接地電阻等）抽象成一個(gè)總的電阻，即兩線的電阻分別為圖中的 與 。圖26中的電壓表的讀數(shù)U等于太陽(yáng)電池輸1R2出電壓 減去電阻 、 的壓降，即： outU (28)12outR??VA太陽(yáng)電池R 1R 2R L光源圖 26 伏安特性測(cè)試一般測(cè)試原理圖改變可變電阻 的阻值，就可以改變太陽(yáng)電池兩端的電壓以及通過(guò)的電流。LR連續(xù)調(diào)節(jié)可變電阻 的阻值，并對(duì)其電壓、電流進(jìn)行測(cè)量，即可繪出其伏安特性曲線。上述測(cè)試方法中用來(lái)測(cè)量電阻 的電壓表兩端的電壓不是真正的在電LR阻 上的壓降， 這就引入了系統(tǒng)誤差，當(dāng) ， 與 的大小接近時(shí)，這個(gè)LR12LR誤差是不可忽略的。電壓表的讀數(shù)U等于太陽(yáng)電池輸出電壓 減去電阻 、outU1R的壓降，即如公式(28) ，當(dāng) 和 的值與太陽(yáng)電池端電壓 大小接近時(shí)，2 1RU2 t就引入了系統(tǒng)誤差，并且這個(gè)誤差是不可忽略的。因此，本文采用了四線制測(cè)量方法。 四線制測(cè)量原理在單體太陽(yáng)電池測(cè)試中，一般單體太陽(yáng)電池的工作電壓只有 0~，電流可達(dá)到 5A 或以上，如果采用兩線制測(cè)量的話，在電線上的壓降較大，產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除引線電阻對(duì)測(cè)試的影響，被測(cè)太陽(yáng)電池通過(guò)開(kāi)爾文四線制方法連接到測(cè)試電路。根據(jù)理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)證明四線制測(cè)量可以大大減少引線壓降對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響 [9]。根據(jù)上述分析，進(jìn)行線路改造，得出圖27所示的線路，這種方法就是開(kāi)爾文四線制測(cè)量方法。 R 3R 1R 4R 2VA太陽(yáng)電池R L光源E 圖27 四線制測(cè)量的原理四線制測(cè)量的主要方法就是將電壓測(cè)量線路與電流測(cè)量線路分開(kāi)，分別用兩組導(dǎo)線完成。如圖27所示, ， , ， 與電流表組成一個(gè)測(cè)量電流的回12LE路， , , 與電壓表組成測(cè)量電壓的回路。因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻是無(wú)窮大，可3R4L以認(rèn)為電壓線上沒(méi)有電流流過(guò)，即 , 上的壓降為零，這樣電壓表上的讀數(shù)3R4就是太陽(yáng)電池輸出電壓 。又因?yàn)?， 和 與電流表串聯(lián)，所以電流表的outU12L讀數(shù)就是流過(guò)電阻 的電流 即太陽(yáng)電池的輸出電流。這種測(cè)試方法就消除了LI由于引線電阻和接觸電阻帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。 為提高太陽(yáng)電池的測(cè)試精度，在太陽(yáng)電池的測(cè)試中，采用了該種測(cè)試方法，原理圖如圖28 所示。從圖27 中可以看出，采用四線制測(cè)量時(shí)，在與被測(cè)器件的連接點(diǎn)上電壓線和電流線是連接在一起的，但在測(cè)試設(shè)