淺談太陽能電池的動態模型和動態特性

摘 要：近年來，隨著科技技術的不斷發展，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電以及光熱發電系統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特性并建立動態模型，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；動態模型；動態特性

引言

在全球能源緊缺的時代背景下，為了充分發揮太陽能這一清潔能源的積極作用，光伏發電以及光熱發電系統就應運而生，并在我國的科技發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態特性以及穩態模型為依據，來進行參數設計以及控制策略設計的。因此，為了進一步提升光伏發電系統的穩定性以及安全性，就必須要對太陽能電池的動態特性以及動態模型進行研究探索，從而為今后太陽能的合理利用提供參考依據。

1 太陽能電池的內涵

太陽能電池最早出現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現，太陽能電池動態模型的最佳狀態應該為等效結電容、光生電流源以及理想二極管的并聯電路。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模型。具體如圖1所示。其中，RD為二極管的小信號動態電阻，CD等效結電容。

3 太陽能電池的動態特性

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。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；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應該是穩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電阻以及分流電阻。其中，串聯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，基區與發射區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象，這正是誘發分流電阻的主要原因。

3.2 在光照發生變化時太陽能電池的光電流

當太陽光照發生改變時，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生改變。想要得出瞬態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x處的過剩少數載流子的濃度；Dn為電子擴散系數；？琢為材料的光吸收系數；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，它的研究應用是現階段所有業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模型以及動態特性，可以在很大程度上提升光伏發電以及光熱發電系統的使用效率。因此，相關企業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的可持續發展提供保障。

參考文獻

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[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。