淺談太陽能電池的動態(tài)模型和動態(tài)特性

摘 要：近年來，隨著科技技術的不斷發(fā)展，老百姓對能源的需求量也在逐年增加。在眾多能源中，太陽能作為一種清潔型可再生能源，也是人類接觸最早的能源之一，由它衍生出的光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)正逐漸改變我國能源緊缺的困境。因此，分析研究太陽能電池的動態(tài)特性并建立動態(tài)模型，對我國研究以及利用太陽能具有至關重要的意義。

關鍵詞：太陽能電池；動態(tài)模型；動態(tài)特性

引言

在全球能源緊缺的時代背景下，為了充分發(fā)揮太陽能這一清潔能源的積極作用，光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)就應運而生，并在我國的科技發(fā)展過程中起著關鍵性作用。然而目前應用較為普遍的最大功率點跟蹤太陽能控制器，也就是常說的MPPT控制器，是以太陽能電池的穩(wěn)態(tài)特性以及穩(wěn)態(tài)模型為依據(jù)，來進行參數(shù)設計以及控制策略設計的。因此，為了進一步提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及安全性，就必須要對太陽能電池的動態(tài)特性以及動態(tài)模型進行研究探索，從而為今后太陽能的合理利用提供參考依據(jù)。

1 太陽能電池的內涵

太陽能電池最早出現(xiàn)在上世紀五十年代的美國，并從此開啟了它的新紀元。而太陽能電池的發(fā)展歷程中，衍生出許多不同類別，相應的轉換頻率也得到了顯著提升。目前，我國太陽能電池按照材料可以分為以下三大類，即硅材料半導體、有機半導體以及多元化合物半導體。具體如表1所示。

2 太陽能電池的動態(tài)模型

經過有關專家學者的長期研究表明，太陽能電池光電流減去暗電流就可以得到它的輸出電流。而在對基爾霍夫電流定理研究之后可以發(fā)現(xiàn)，太陽能電池動態(tài)模型的最佳狀態(tài)應該為等效結電容、光生電流源以及理想二極管的并聯(lián)電路。如果考慮引線的寄生電感以及寄生電阻，就可以得到實際的太陽能電池動態(tài)模型。具體如圖1所示。其中，RD為二極管的小信號動態(tài)電阻，CD等效結電容。

3 太陽能電池的動態(tài)特性

3.1 太陽能電池特性分析

（1）太陽電池等效電路的最佳狀態(tài)。太陽能電池中的電流，主要由相反方向的光電流以及暗電流疊加而成，為了便于對太陽能電池的伏安特性進行表述，通常會把光生電流的方向來當作電流的正方向。太陽能電池光照下的伏安特性曲線，會在輸出電壓較小時，讓電流基本處于恒定狀態(tài)；在輸出電壓逐步增加的同時，暗電流也會隨之增加；當電池達到開路電壓時，暗電流就可以完全抵消光電流。太陽能電池的核心是PN結，由此可見，太陽能電池等效電路的最佳狀態(tài)應該是穩(wěn)定的恒流源以及單向導通的二極管并列。

（2）寄生電阻對太陽能電池的影響。現(xiàn)實生活中的太陽能電池，它的部分能量會在電池邊緣的漏電源以及各種電阻上耗散，其效果可以等效為太陽能電池自身串聯(lián)電阻以及分流電阻。其中，串聯(lián)電阻的構成部件有以下幾種，即引線、前表面、背表面的接觸電阻，基區(qū)與發(fā)射區(qū)的電阻及材料電阻等；而分流電阻則會在太陽能電池的制備階段產生，在這一過程中會出現(xiàn)微裂痕以及劃痕等缺陷，并在這些部位產生金屬電橋漏電短路等現(xiàn)象，這正是誘發(fā)分流電阻的主要原因。

3.2 在光照發(fā)生變化時太陽能電池的光電流

當太陽光照發(fā)生改變時，過剩載流子會在漂移、擴散以及復合等過程中會受光照影響，而讓它本身的分布情況發(fā)生改變。想要得出瞬態(tài)過程中的過剩載流子含量或者濃度，可以通過以下公式計算得出：

在公式中，？啄n（x，t）代表的是t時刻、P區(qū)x處的過剩少數(shù)載流子的濃度；Dn為電子擴散系數(shù)；？琢為材料的光吸收系數(shù)；e（t）為入射光的光強；G（x）=k1e（t）e-？琢（x-xp）為x處的過剩載流子的產生率。

3.3溫度對太陽能電池暗電流的影響

對于太陽能電池而言，它的暗電流主要來源于以下兩個方面：第一，來自不可避免的輻射復合；第二，在太陽能電池的制作以及電池材料本身出現(xiàn)問題而產生的暗電流。這些雜質或者缺陷會形成大量的復合中心，并會損失光生載流子。溫度想要對太陽能電池造成影響，只有通過暗電流才能有效。在常溫下，復合中心的溫度越高，則對轉化效率的影響就越大，而在復合中心溫度慢慢降低的同時，這種影響也會逐漸衰退。這是因為在低溫環(huán)境下，電子的熱速度也會慢慢降低，這就使得復合中心能夠俘獲載流子的概率也會隨之減少。

4 結束語

綜上所述，太陽能作為一種可再生的清潔能源，它的研究應用是現(xiàn)階段所有業(yè)內人士需要花費大量時間以及精力去完成的任務。而研究太陽能電池的動態(tài)模型以及動態(tài)特性，可以在很大程度上提升光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電系統(tǒng)的使用效率。因此，相關企業(yè)或者人員一定要對這一問題加以重視，從而為未來我國太陽能電池事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

參考文獻

[1]薛繼元，馮文林，趙芬，等.太陽能電池板的輸出特性與實際應用研究[J].紅外與激光工程，2015（1）：176-181.

[2]張?zhí)旎郏瑯懔徕暎w謖玲，等.有機太陽能電池材料研究新進展[J].有機化學，2011，31（2）：260-272.

[3]任航，葉林.太陽能電池的仿真模型設計和輸出特性研究[J].電力自動化設備，2009，29（10）：112-115.

作者簡介：李寧（1986-），女，漢族，山東省青島市人，講師，碩士研究生，單位：青島理工大學琴島學院，研究方向：電氣工程自動化。

王曉兵（1989-），女，漢族，山東省青島市人，講師，碩士研究生，單位：青島理工大學琴島學院，研究方向：控制科學與控制工程。