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2 太阳能电池工作特性及其电路特性
2.1太阳能电池的工作原理
光伏电池的基本原理是基于半导体的光伏效应的，将太阳辐射直接转换为电能。光电效应就是物体在吸收光能后，其内部能传到电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可以产生这种效应，但是半导体光伏效应的效率最高。
当太阳光照射到半导体P-N结上时，就会在其两端产生广生电流，若在外部将P-N结短接就会产生光生电流。光伏电池正式利用半导体材料的这些特征把光能转化为电能。在这种发电过程中，太阳能电池本身不会发生任何化学变化，也不会产生机械磨损，因此在使用中无噪声、无气味、无污染。
一般的半导体结构如图2.1所示。
电子硅原子
图2.1 半导体结构
图2.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示电子，四个电子围绕在一个硅原子周围，当硅晶体中掺入其他的三价或者五价的杂质原子后，与相邻的硅原子结合就会在杂质周围形成空穴或者多余电子，形成P（Positive）型或者N(Nagetive)型半导体材料。当掺入硼时，晶体中就会多出多余的空穴，如图2.2所示。其中，正电荷表示硅原子，负电荷表示电子，由于掺入的硼原子周围只有三个电子，所以会产生多余的空穴。这些空穴由于没有电子而变得很不稳定，容易吸收临近的电子而产生中和左右，形成与电子移动方向相反的电流，这种硅晶体成为P型半导体。当掺入磷原子时，因为磷有5个电子，所以就会多出一个电子而同样使硅晶体变得很活跃，电子的移动形成电流，这种硅晶体成为N型半导体如图2.3所示。
电子硼原子空穴图2.2 P型半导体
电子磷原子多余电子硅原子硅原子
图2.3 N型半导体
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把P型半导体和N型半导体结合在一起就形成了P-N结，在太阳光的照射下形成电势差，这种含P-N结的新型复合半导体晶片就是太阳能电池晶片，如图2.4所示。
电子硼原子空穴硅原子PN结电子磷原子多余电子硅原子
图2.4 太阳能电池晶片
当太阳能电池晶片受到光照后，P-N结附近的P型半导体中的空穴就会往N区扩散，N型半导体中的多余电子向P区扩散，从而形成从P指向N区的电流，并且在P-N结中形成电势差，即太阳能电池晶片电压，过程如图2.5所示。
太阳光照空穴PN结多余电子
图2.5 太阳能电池晶片受光照物理过程
2.2太阳能电池的等效电路
当受光照射的光伏电池板接上负载时，光生电流流过负载,并在负载的两端建立起端电压，此时光伏电池的等效电路图如图2.6所示：
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Rs?IVIphDIdRshIshRL
图2.6光伏电池板等效电路
图中光伏电池看作为稳定地产生光电流Iph的电流源,与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh。显然二极管的正向电流Id和旁路电流Ish都要靠Iph来提供,剩余的电流经过一个串联电阻Rs流出光伏电池而进入负载RL。 由图2.8可求得输出电流的I表达式为：
I?Iph?Id?Ish
????V?IRs????(V?IRs)I?Iph?I0?exp?q?1 ???AKTR?sh?????（2-1）
式中I0为电池板暗电流；V为输出电压；q为电子电荷1.6?10?19C；K为波尔兹曼常数
1.38?10?23J/K；T为热力学温度；A为P-N结理想因子，温度在278K时取2.8。
串联电阻Rs对电池板输出特性有一定的影响，在光伏电池工作在理想情况下，Rs的值相对于RL很小，并且并联电阻Rsh很大，分流可以忽略不计，图2.8光伏电池板等效电路可简化为图2.7所示：
IphDIdI?VRL
图2.7 光伏电池的简化等效电路
此时由光伏电池简化等效电路可求得输出电流I表达式如式2-2：
I?Iph?Id
??V??I?Iph?I0?exp?q?1? （2-2） ??AKT??? 光伏电池的开路电压，在负载电流I=0时，此时开路电压如式2-3所示。
Uoc??AKT?Iphln??1? （2-3） q?I0?2.3太阳能电池的工作特性
光伏电池的特性一般包括三种特性，分别是伏安(V-I)特性（输出特性）、光照特性和温度特性，下面对以上特性进行分别研究。
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伏安特性指当电池板受到光辐射时，光伏电池的输出电压与电流之间的关系。其曲线如图2.8所示，图中Uoc表示电池板开路电压，Upm表示电池板最大功率点（MPP）处电压，Isc表示MPP处电流，阴影部分表示电池板输出最大功率Pm，Pm输出受工作环境影响较大，尤其是光照强度和温度发生变化，使得电池板最佳工作点发生偏移。
图2.8 光伏电池伏安（V-I）特性曲线
光照特性指电池板输出功率随光照强度变化而变化，如图2.9光伏电池短路电流输出几乎与光照强度成正比变化。开路电压Uoc也随光照强度变化发生变化，但在较小光照强度小，依然保持较大的开路电压Uoc。图2.10表示在不同光照强度下P-V曲线，由图可知最大功率Pm输出跟光照强度几乎成正比变化，因此在光照特性是影响电池板功率输出最主要因素。
图2.9不同光照强度伏安特性曲线 图2.10不同光照强度P-V特性曲线
温度特性指光伏电池功率输出随温度变化，其特性如图2.11所示，随温度的上升，开路电压Uoc不断下降，短路电流Isc不断增大，但电池板输出功率不断减小，其光伏转换效率下降，由此可得到温度与光伏电池板最大功率输出成非线性反比变化，由图2.12不同温度下的P-V特性曲线可知，低温能够提高电池板转换效率（即增大Pm输出）。
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图2.11 不同温度伏安特性曲线
2.12 不同温度P-V特性曲
图