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摘要：本文通过对太阳电池在光照时等效电路的电路分析，得到了太阳电池在光照条件下几个基本参数的计算公式，从中找出太阳能电池基本参数的影响因素及规律性。
关键词：太阳能电池 基本参数 影响因素
中图分类号：TK511文献标识码： A
前言：
太阳能电池测试系统是一套用于测试、检测太阳能组件或光伏阵列的完整装置，通过测试可以给出太阳能电池的各项参数，作为评价太阳能电池的性能指标。太阳能电池测试系统一般根据测试需要由采集仪器、硬件电路和软件程序等组成。在一定光照条件下，通过对太阳能电池的输出电压或输出电流的控制，进行测试实验，记录测试数据，然后对测量结果进行处理、分析，最后得到太阳能电池的参数。太阳能电池性能参数测试系统的原理通常包括:测试系统分类与组成、太阳能电池发电原理、温度传感器测试原理、太阳能电池测试原理等几方面。太阳能电池测试系统一般包括光源，标准电池，电池固定装置，负载电阻，温度计，数据采集、记录及显示模块等。定照度的光源照射在太阳能电池表面上，使其产生电能;標准电池用于测量光源的辐照度，作为被测电池的参考;电池固定装置用于安装太阳能电池以及调整其正对光源;负载电阻接在电池的外围电路上，形成回路，通过改变电阻大小来改变太阳能电池的输出特性，目前很多测试系统都采用电子负载作为负载电阻;温度计用于测量太阳能电池的背表面温度，以达到标准测试条件的要求;数据采集、记录及显示模块能够完成太阳能电池的输出电压、输出电流的采集以及V-I特性曲线的显示等。
一、太阳能电池分类与原理
太阳能电池是一种可以直接将太阳能转换为电能的器件 1954年，第一个太阳能电池在美国贝尔实验室诞生，从此开启了太阳能电池的新纪元。随着新的科学技术的发展，太阳能电池的种类也越来越多，转换效率也有了明显的提高。目前，太阳能电池按照构成材料的不同可分为硅材料半导体、多元化合物半导体、有机半导体等三大类。其中硅材料半导体由结晶类和非结晶类组成，结晶类包括单晶硅电池和多晶硅电池;多元化合物半导体则由3-5族化合物电池、2-6族化合物电池和1-3-6族化合物电池组成;有机半导体包括酞著、聚乙炔等。分类结构图如图1所示。
图1太阳能电池分类
目前，太阳能电池产品仍然以硅半导体材料为主，即单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池，三种硅材料电池的实物图如图2所示。由于硅原材料具有广泛性，转换效率高、可靠性好等优点，因此被市场所广泛接受。其中以多晶硅太阳能电池的性价比最高，是结晶类太阳能电池中的主流产品，占现有市场份额70%以上。非晶硅电池则在民用产品上有着较为广泛的应用(例如计算器，电子手表等)，近几年，由于非晶硅电池的成本低廉、弱光响应好、充电效率高等优势，前景正在被市场看好，并以惊人的速度在增长。然而对于多元化合物太阳能电池，一方面由于其材料的稀有性，另一方面则是因为部分材料具有公害，现阶段的市场占有率还很小。
图2硅太阳能电池外观图
在硅太阳能电池中，单晶硅电池的转换效率最高，从11%到24%，当然效率越高，其价格也就越贵;多晶硅电池的效率较单晶硅电池低，在12%到18.6%左右，但因其制作步骤较为简单，成本比单晶硅电池低20%左右，在一定程度上受到了市场的亲睐;非晶硅电池依靠成本低、无需封装、生产快、产品种类多等优点，具有很大的应用前景，商用电池转换效率在6%到10%左右。硅太阳能电池相关特性比较如表1所示
表1硅太阳能电池的特性比较
二、太阳能电池工作原理
太阳能电池发电是利用半导体材料的光生伏打效应，将光能直接转化为电能的一种新技术。太阳能电池工作原理图如图3所示，当太阳光照射到电池表面上时，部分光子被吸收，激发了被束缚在高能级状态下的电子，使电子发生了跃迁，自由电子在晶体内部向各个方向移动，产生空穴。空穴也围绕着晶体飘移，自由电子(一)在N结聚集，空穴(+)在P结聚集，产生电位差，当外部接通回路时，在电压的作用下，将会有电流产生。因此太阳能电池必须在光照条件下才能正常工作，这个过程的实质就是光子能量转换成电能的过程。
图3太阳能电池发电原理图
三、太阳能电池测试原理
太阳能电池单体的等效电路如图所示标准二极管模型”是太阳能电池的一个普遍模式，即包括两个欧姆电阻，一个二极管和一个电流源。在外围电路接上负载RL，就可以使电路形成回路，产生电流IL。根据基尔霍夫定律可以得出其电流与电压关系如下:
式中:IPH为光电流，受温度和光照的影响;ID为PN结的正向电流;ISH为PN结的漏电流。将电压和电流值代入式可得:
式中:IL、UL:为输出电流、电压;IO为反向饱和电流;q为电子电荷;K为玻耳兹曼常数;T为绝对温度;A为二极管特性因子;RS为串联电阻;RSH为并联电阻。
图 4光伏电池等效电路
一个理想的太阳能电池，总是Rs很小而Rsh,很大，在一般性的测试分析中可以令Rs=0;Rsh=∞。此时，可以得到流过负载的电流为:
1、伏安特性测试原理
太阳能电池的测试主要是对各个性能参数的测试，包括短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、光电转换效率、填充因子等。
(1)短路电流Isc
端电压为0时，通过太阳能电池的电流称为短路电流，通常用Isc表示。它是伏安特性曲线与坐标轴纵坐标的交点所对应的电流。短路电流Isc的大小与太阳电池的面积有关，面积越大，Isc也越大，一般1 cm2单晶硅太阳能电池的Isc为16~30mA，短路电流Isc是描述太阳能电池性能的重要指标之一。令Ul=0，代入式中可得短路电流:
⑵开路电压Uoc
太阳能电池在空载时的端电压，称为开路电压，通常用Uoc表示。它是伏安特性曲线与坐标轴横坐标的交点所对应的电压，也是描述太阳电池性能的一个重要参数。太阳能电池的开路电压与面积大小无关，一般情况下，单晶硅太阳能电池的开路电压约为450~600mV，最高也可达700mV .式中:Io、β是常数。
(3)伏安特性曲线
理想状态下的太阳能电池伏安特性曲线如图5所示:
图5太阳能电池伏安特性曲线
太阳能电池的伏安特性曲线是指太阳能电池在负载阻值从0变化到∞时输出的电压与电流值之间的关系。在运用电子负载进行实验测试时，只需将电子负载调节在恒压模式，设定太阳能的输出电压从0变化到开路电压Uoc,记录数据，即可得到伏安特性曲线。如图6所示，根据太阳能电池I-U特性曲线和P-U特性曲线就可以得出太阳能电池的最大功率点，最大功率点电压、电流，转换效率以及填充因子等参数。
图6太阳能电池I-U和P- U输出特性曲线
四、影响因素条件下的测试原理
太阳能资源虽然有着丰富、清洁、无需运输的优点，但也存在能量密度低、间断性和不稳定性的缺点。因此光伏电站在实际发电过程中，会有很多影响太阳能电池输出功率的因素，主要有:光照强度、温度、阴影等。为了明确这些因素对太阳能电池实际输出功率的影响情况，需要在各个影响因素下对太阳能电池进行测试。对于多因素的问题，在测试过程中应采用控制变量法，每次仅改变一个影响因素，保持其他参数不变进行测试，对比后可得出结论
在实验室测试中，光强的强弱可以很容易改变，然而在户外测试中，光强的改变不可能依靠太阳的东升西落来实现，而可以通过改变太阳能电池的安装角度来改变入射到太阳能电池表面的光照强度;负载类型的影响测试则可以通过调节直流电子负载来实现;温度的测试需要得到的是相同照度且不同温度下的测试结果，数据采集相对比较困难，需要长时间的数据积累;对于阴影的测试，同样存在阴影面积的实际大小难以控制的问题，因此在实验中可以考虑利用己知面积的卡片覆盖进行测试以及说明。
最后根据相关测试结果，结合投入成本等因素，可以在光伏电站的选址、安装、运行等过程中，确定是否有必要采取相应的措施以及如何采取措施。
结语：
本文对太阳能电池测试系统的一般性原理进行了分析，包括测试系统的分类与组成、太阳能电池的分类与工作原理、太阳能电池的测试原理。阐述了太阳能电池测试系统在伏安特性曲线和各影响因素条件下的测试方法、测试难点以及测试的意义等，使我们对整个太阳能电池测试系统的工作原理有了充分的了解，为后面设计太阳能电池测试系统奠定了相应的理论基础。
参考文献：
【1】 郭丰.聚光光伏的发展[J]. 电源技术. 2009(10)
【2】廖志凌,阮新波.任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J]. 太阳能学报. 2009(04)
[【3】袁爱谊,王亮兴.聚光光伏发电技术研究与展望[J]. 上海电力. 2009(01)
【4】张耀明.中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J]. 能源研究与利用. 2007(01)
【5】沈飞,梁雪春.大力支持太阳能产业的可行性分析[J]. 生态经济. 2006(11)
关键词：太阳能电池 基本参数 影响因素
中图分类号：TK511文献标识码： A
前言：
太阳能电池测试系统是一套用于测试、检测太阳能组件或光伏阵列的完整装置，通过测试可以给出太阳能电池的各项参数，作为评价太阳能电池的性能指标。太阳能电池测试系统一般根据测试需要由采集仪器、硬件电路和软件程序等组成。在一定光照条件下，通过对太阳能电池的输出电压或输出电流的控制，进行测试实验，记录测试数据，然后对测量结果进行处理、分析，最后得到太阳能电池的参数。太阳能电池性能参数测试系统的原理通常包括:测试系统分类与组成、太阳能电池发电原理、温度传感器测试原理、太阳能电池测试原理等几方面。太阳能电池测试系统一般包括光源，标准电池，电池固定装置，负载电阻，温度计，数据采集、记录及显示模块等。定照度的光源照射在太阳能电池表面上，使其产生电能;標准电池用于测量光源的辐照度，作为被测电池的参考;电池固定装置用于安装太阳能电池以及调整其正对光源;负载电阻接在电池的外围电路上，形成回路，通过改变电阻大小来改变太阳能电池的输出特性，目前很多测试系统都采用电子负载作为负载电阻;温度计用于测量太阳能电池的背表面温度，以达到标准测试条件的要求;数据采集、记录及显示模块能够完成太阳能电池的输出电压、输出电流的采集以及V-I特性曲线的显示等。
一、太阳能电池分类与原理
太阳能电池是一种可以直接将太阳能转换为电能的器件 1954年，第一个太阳能电池在美国贝尔实验室诞生，从此开启了太阳能电池的新纪元。随着新的科学技术的发展，太阳能电池的种类也越来越多，转换效率也有了明显的提高。目前，太阳能电池按照构成材料的不同可分为硅材料半导体、多元化合物半导体、有机半导体等三大类。其中硅材料半导体由结晶类和非结晶类组成，结晶类包括单晶硅电池和多晶硅电池;多元化合物半导体则由3-5族化合物电池、2-6族化合物电池和1-3-6族化合物电池组成;有机半导体包括酞著、聚乙炔等。分类结构图如图1所示。
图1太阳能电池分类
目前，太阳能电池产品仍然以硅半导体材料为主，即单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池，三种硅材料电池的实物图如图2所示。由于硅原材料具有广泛性，转换效率高、可靠性好等优点，因此被市场所广泛接受。其中以多晶硅太阳能电池的性价比最高，是结晶类太阳能电池中的主流产品，占现有市场份额70%以上。非晶硅电池则在民用产品上有着较为广泛的应用(例如计算器，电子手表等)，近几年，由于非晶硅电池的成本低廉、弱光响应好、充电效率高等优势，前景正在被市场看好，并以惊人的速度在增长。然而对于多元化合物太阳能电池，一方面由于其材料的稀有性，另一方面则是因为部分材料具有公害，现阶段的市场占有率还很小。
图2硅太阳能电池外观图
在硅太阳能电池中，单晶硅电池的转换效率最高，从11%到24%，当然效率越高，其价格也就越贵;多晶硅电池的效率较单晶硅电池低，在12%到18.6%左右，但因其制作步骤较为简单，成本比单晶硅电池低20%左右，在一定程度上受到了市场的亲睐;非晶硅电池依靠成本低、无需封装、生产快、产品种类多等优点，具有很大的应用前景，商用电池转换效率在6%到10%左右。硅太阳能电池相关特性比较如表1所示
表1硅太阳能电池的特性比较
二、太阳能电池工作原理
太阳能电池发电是利用半导体材料的光生伏打效应，将光能直接转化为电能的一种新技术。太阳能电池工作原理图如图3所示，当太阳光照射到电池表面上时，部分光子被吸收，激发了被束缚在高能级状态下的电子，使电子发生了跃迁，自由电子在晶体内部向各个方向移动，产生空穴。空穴也围绕着晶体飘移，自由电子(一)在N结聚集，空穴(+)在P结聚集，产生电位差，当外部接通回路时，在电压的作用下，将会有电流产生。因此太阳能电池必须在光照条件下才能正常工作，这个过程的实质就是光子能量转换成电能的过程。
图3太阳能电池发电原理图
三、太阳能电池测试原理
太阳能电池单体的等效电路如图所示标准二极管模型”是太阳能电池的一个普遍模式，即包括两个欧姆电阻，一个二极管和一个电流源。在外围电路接上负载RL，就可以使电路形成回路，产生电流IL。根据基尔霍夫定律可以得出其电流与电压关系如下:
式中:IPH为光电流，受温度和光照的影响;ID为PN结的正向电流;ISH为PN结的漏电流。将电压和电流值代入式可得:
式中:IL、UL:为输出电流、电压;IO为反向饱和电流;q为电子电荷;K为玻耳兹曼常数;T为绝对温度;A为二极管特性因子;RS为串联电阻;RSH为并联电阻。
图 4光伏电池等效电路
一个理想的太阳能电池，总是Rs很小而Rsh,很大，在一般性的测试分析中可以令Rs=0;Rsh=∞。此时，可以得到流过负载的电流为:
1、伏安特性测试原理
太阳能电池的测试主要是对各个性能参数的测试，包括短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流、光电转换效率、填充因子等。
(1)短路电流Isc
端电压为0时，通过太阳能电池的电流称为短路电流，通常用Isc表示。它是伏安特性曲线与坐标轴纵坐标的交点所对应的电流。短路电流Isc的大小与太阳电池的面积有关，面积越大，Isc也越大，一般1 cm2单晶硅太阳能电池的Isc为16~30mA，短路电流Isc是描述太阳能电池性能的重要指标之一。令Ul=0，代入式中可得短路电流:
⑵开路电压Uoc
太阳能电池在空载时的端电压，称为开路电压，通常用Uoc表示。它是伏安特性曲线与坐标轴横坐标的交点所对应的电压，也是描述太阳电池性能的一个重要参数。太阳能电池的开路电压与面积大小无关，一般情况下，单晶硅太阳能电池的开路电压约为450~600mV，最高也可达700mV .式中:Io、β是常数。
(3)伏安特性曲线
理想状态下的太阳能电池伏安特性曲线如图5所示:
图5太阳能电池伏安特性曲线
太阳能电池的伏安特性曲线是指太阳能电池在负载阻值从0变化到∞时输出的电压与电流值之间的关系。在运用电子负载进行实验测试时，只需将电子负载调节在恒压模式，设定太阳能的输出电压从0变化到开路电压Uoc,记录数据，即可得到伏安特性曲线。如图6所示，根据太阳能电池I-U特性曲线和P-U特性曲线就可以得出太阳能电池的最大功率点，最大功率点电压、电流，转换效率以及填充因子等参数。
图6太阳能电池I-U和P- U输出特性曲线
四、影响因素条件下的测试原理
太阳能资源虽然有着丰富、清洁、无需运输的优点，但也存在能量密度低、间断性和不稳定性的缺点。因此光伏电站在实际发电过程中，会有很多影响太阳能电池输出功率的因素，主要有:光照强度、温度、阴影等。为了明确这些因素对太阳能电池实际输出功率的影响情况，需要在各个影响因素下对太阳能电池进行测试。对于多因素的问题，在测试过程中应采用控制变量法，每次仅改变一个影响因素，保持其他参数不变进行测试，对比后可得出结论
在实验室测试中，光强的强弱可以很容易改变，然而在户外测试中，光强的改变不可能依靠太阳的东升西落来实现，而可以通过改变太阳能电池的安装角度来改变入射到太阳能电池表面的光照强度;负载类型的影响测试则可以通过调节直流电子负载来实现;温度的测试需要得到的是相同照度且不同温度下的测试结果，数据采集相对比较困难，需要长时间的数据积累;对于阴影的测试，同样存在阴影面积的实际大小难以控制的问题，因此在实验中可以考虑利用己知面积的卡片覆盖进行测试以及说明。
最后根据相关测试结果，结合投入成本等因素，可以在光伏电站的选址、安装、运行等过程中，确定是否有必要采取相应的措施以及如何采取措施。
结语：
本文对太阳能电池测试系统的一般性原理进行了分析，包括测试系统的分类与组成、太阳能电池的分类与工作原理、太阳能电池的测试原理。阐述了太阳能电池测试系统在伏安特性曲线和各影响因素条件下的测试方法、测试难点以及测试的意义等，使我们对整个太阳能电池测试系统的工作原理有了充分的了解，为后面设计太阳能电池测试系统奠定了相应的理论基础。
参考文献：
【1】 郭丰.聚光光伏的发展[J]. 电源技术. 2009(10)
【2】廖志凌,阮新波.任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J]. 太阳能学报. 2009(04)
[【3】袁爱谊,王亮兴.聚光光伏发电技术研究与展望[J]. 上海电力. 2009(01)
【4】张耀明.中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J]. 能源研究与利用. 2007(01)
【5】沈飞,梁雪春.大力支持太阳能产业的可行性分析[J]. 生态经济. 2006(11)