【文章內(nèi)容簡介】 根據(jù)測量得到的有限 I、V 點準(zhǔn)確地得到太陽電池的 IV 曲線問題。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，下面對幾種方法做一下簡單的介紹:(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)，擬合時利用自適應(yīng)搜索算法來隨機地確定收縮比，即用第 t 次擬合中的計算結(jié)果來確定 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)具有更少的計算量，更高的收斂性。(2)通過建立不同的數(shù)學(xué)模型來確定算法通過對太陽電池的等效電路數(shù)學(xué)模型的分析，根據(jù)測得的有限點數(shù)據(jù)，利用簡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，計算較容易，為擬合太陽電池的 IV 曲線提供了一個新的方法。(3)數(shù)論方法通過對太陽電池數(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。 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)計與誤差分析?！駵y試系統(tǒng)設(shè)計的性能指標(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(最小測試量程下)；輻照不均勻度：177。3％；計算機屏幕顯示：太陽電池各項參數(shù)、IV曲線?！駵y試系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計重點：選擇合理的光源；測試檔位的自動選擇；解決各種干擾問題；IV曲線擬合的精確性。（2）本課題研究的主要目標(biāo)是研究可滿足太陽電池測試的測試系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)不同的電流和電壓參數(shù)自動選擇合適的測量范圍，準(zhǔn)確測量各個參數(shù)。通過太陽電池測試系統(tǒng)得到的參數(shù)可以用來評價太陽電池性能優(yōu)劣。完善太陽電池測試系統(tǒng)有利于研究電池特性，進而改善電池性能。 第二章 太陽電池測試原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽電池的基本原理太陽電池的基本原理與一般硅太陽電池的基本原理是相同的，也是直接把太陽能轉(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)太陽電池受到光照時，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。由于從太陽電池表面到體內(nèi)入射光強度成指數(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)生載流子的擴散運動。n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達PN結(jié)n區(qū)邊界時，由于內(nèi)建電場的方向是從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PN結(jié)區(qū)p側(cè)邊界時，立即被內(nèi)建電場拉向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 空穴對則自然被內(nèi)建電場分別拉向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)生光生電動勢。上述過程通常稱作光生伏打效應(yīng)或光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽電池的兩端接上負(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(太陽電池的輸出電壓 )，穩(wěn)定狀態(tài)時等于負(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 為絕對溫度 (K)。KJ/23?太陽電池的暗特性與PN結(jié)的整流特性相同，如圖21(a)所示，照明時暗特性曲線下移，成為明特性曲線，如圖21(b)所示，由于這時太陽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)方向為正參考方向，即得到通常所見的太陽電池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 太陽電池 IV 特性曲線 太陽電池的等效電路太陽電池與一般的硅太陽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 組成的電路來表示，當(dāng)LIjCSRsh太陽電池接上負(fù)載并接受光照時，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]。把太陽電池看成能穩(wěn)定產(chǎn)生光電流 的恒流源(在實驗中必須保證I光源穩(wěn)定) ，與之并聯(lián)的有一個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)過串聯(lián)電阻 和負(fù)載 的電流。shI SRL太陽電池負(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，其直流簡化等效電路圖如jC23所示。R LR sI DR s hI s hVI LI圖23 太陽能光電池的直流簡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： 為太陽電池的輸出電流； 為太陽電池輸出電壓； 為太陽電池在光I VLI照下產(chǎn)生的恒流電流； 為太陽電池反向飽和電流(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為太陽電池PN結(jié)的絕對溫度； 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變化到無窮的時候，就可以根據(jù)上式畫出太陽電池的負(fù)載特LR性曲線，即伏安特性曲線。曲線上的每一點稱為工作點，工作點和原點的連線稱為負(fù)載線，斜率為1/ ，工作點的橫坐標(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 到達某一個特定值 ，此時曲線上得到一個點mRM，對應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大( )，我們就稱這點M為該VIP??薄膜太陽電池的最大功率點。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太陽電池負(fù)載特性曲線由式(21)可以得到太陽電池的暗電流 。事實上，在不同的電壓范圍時，DI暗電流 的決定因素不同。高電壓時， 主要由電中型區(qū)的注入電流決定；低DI電壓時， 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。太陽電池的雙指數(shù)模型不僅考慮了 和 對太陽電池性能的影響，用指SRH數(shù)的形式概括地表示了不同機制產(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值。同時它也為 IV 的曲線擬合提供了更精確的數(shù)據(jù)模型。 太陽電池參數(shù)的定義由伏安特性可以得到太陽電池幾個重要參數(shù) [2]：（1）開路電壓 ：負(fù)載開路是太陽電池兩端的電壓，即I = 0時的V 值；oc（2）短路電流 ：負(fù)載短路時太陽電池的輸出電流；s（3）最大輸出功率 ：光強一定時，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)下太陽電池輸出的電壓和I電流；（5）填充因子FF ：太陽電池的最大輸出功率與開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)間有以下的簡單關(guān)系： （2maxmPIV??5） （2ax10%scoFI6） （2max 10%mscoFinininPVFIVEP?????7）其中 為入射到太陽電池上的總功率。由各參數(shù)間的關(guān)系可知，特性優(yōu)質(zhì)in的太陽電池就能獲得較大的功率輸出。 太陽電池伏安特性曲線測量原理伏安特性是太陽電池最主要的特性，能直接反映出太陽電池的輸出功率。在一定陽光照射下，這曲線完全由電池的PN結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。 伏安特性的一般測量方法伏安特性的一般測量采用的是二線制測試法，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)阻無窮大，電流表的內(nèi)阻為零。在測試線路中，將測試導(dǎo)線電阻與各種其它電阻（如接地電阻等）抽象成一個總的電阻，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等于太陽電池輸1R2出電壓 減去電阻 、 的壓降，即： outU (28)12outR??VA太陽電池R 1R 2R L光源圖 26 伏安特性測試一般測試原理圖改變可變電阻 的阻值，就可以改變太陽電池兩端的電壓以及通過的電流。LR連續(xù)調(diào)節(jié)可變電阻 的阻值，并對其電壓、電流進行測量，即可繪出其伏安特性曲線。上述測試方法中用來測量電阻 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，這個LR12LR誤差是不可忽略的。電壓表的讀數(shù)U等于太陽電池輸出電壓 減去電阻 、outU1R的壓降，即如公式(28) ，當(dāng) 和 的值與太陽電池端電壓 大小接近時，2 1RU2 t就引入了系統(tǒng)誤差，并且這個誤差是不可忽略的。因此，本文采用了四線制測量方法。 四線制測量原理在單體太陽電池測試中，一般單體太陽電池的工作電壓只有 0~，電流可達到 5A 或以上，如果采用兩線制測量的話，在電線上的壓降較大，產(chǎn)生測量誤差。為了消除引線電阻對測試的影響，被測太陽電池通過開爾文四線制方法連接到測試電路。根據(jù)理論推導(dǎo)及實驗證明四線制測量可以大大減少引線壓降對測試結(jié)果的影響 [9]。根據(jù)上述分析，進行線路改造，得出圖27所示的線路，這種方法就是開爾文四線制測量方法。 R 3R 1R 4R 2VA太陽電池R L光源E 圖27 四線制測量的原理四線制測量的主要方法就是將電壓測量線路與電流測量線路分開，分別用兩組導(dǎo)線完成。如圖27所示, ， , ， 與電流表組成一個測量電流的回12LE路， , , 與電壓表組成測量電壓的回路。因為電壓表的內(nèi)阻是無窮大，可3R4L以認(rèn)為電壓線上沒有電流流過，即 , 上的壓降為零，這樣電壓表上的讀數(shù)3R4就是太陽電池輸出電壓 。又因為 ， 和 與電流表串聯(lián)，所以電流表的outU12L讀數(shù)就是流過電阻 的電流 即太陽電池的輸出電流。這種測試方法就消除了LI由于引線電阻和接觸電阻帶來的系統(tǒng)誤差。 為提高太陽電池的測試精度，在太陽電池的測試中，采用了該種測試方法，原理圖如圖28 所示。從圖27 中可以看出，采用四線制測量時，在與被測器件的連接點上電壓線和電流線是連接在一起的，但在測試設(shè)