【《太阳能电池原理与二维等效电路模型分析》1500字】

I太阳能电池原理与二维等效电路模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u3468太阳能电池原理与二维等效电路模型分析 1218771.1太阳能电池原理 1324781.2等效电路模型 2326201.3二维分布式模型介绍 41.1太阳能电池原理在对太阳能电池进行等效电路建模之前，需要对这一器件的结构及原理作一个分析。如图1.1展示了一个典型硅基太阳能电池的基本结构。图1.1（a）为横截面图[2]，从上到下依次为梳状前端电极、抗反射涂层、N+区、P型硅区、背部表面P+区与背部电极。图1.1（b）为简化之后的结构图，划分为电极与抗反射层、中间为PN结，最后为背部电极。图1.1：常见硅基太阳能电池结构（a）横截面[2]；（b）简化图Figure1.1Commonstructureofsilicon-basedsolarcell(a)crosssection[2]；(b)schematicdiagram太阳能电池的本质就是一个P-N结，光电转换是利用光生伏特效应完成，工作原理如图1.2所示。暗条件时，P区多子空穴、N区多子电子分别向对方扩散，留下不可移动的负电与正电中心，形成内建电场（由N指向P），在电场作用下少子会漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，形成P-N结中的空间电荷区。图1.2：太阳能电池工作原理图Figure1.2WorkingprincipleofsolarcellP-N结在接受光照后，其材料会吸收光子，其中能量大于禁带宽度Eg的光子可以激发产生电子-空穴对，并在内建电场的作用下使电子与空穴迅速分离，在电场力作用下电子运动到N区并逐渐积累，而空穴则到P区，形成一个与P-N结内建电场相反的电场，称之为光生电场，光生电场对于P-N结是一个等效的正向电压，会产生结电流Id，同时又会使电子与空穴漂移，产生光生电流IL。在理想状态下，最终的太阳能电池的电流为光生电流值IL减去结电流值Id，工程实际中，还要考虑一些非理想因素。1.2等效电路模型太阳能电池理想状态就是一个二极管，实际情况会更复杂。为了模拟实际情况，它的等效电路如图1.3所示，除了二极管外，包括：一个电流源、一个寄生的并联电阻Rsh以及一个寄生串联电阻RS组成。电流源用来描述光生电流IL，在暗条件下，其值为0。图1.3：太阳能电池等效电路图Figure1.3Equivalentcircuitofsolarcell根据电路图，写出相应的伏安特性方程：（2-1）或记为：（2-2）并画出对应曲线，如图1.4（a）所示，光、暗条件下大致相差一个光生电流IL。（b）图1.4：（a）太阳能电池I-V曲线图；（b）光条件下太阳能电池I-V曲线习惯画法Figure1.4(a)I-Vcurveofsolarcell;(b)Thecustomarydiagramunderlightconditions习惯上，为了研究方便，对光条件下电池的伏安特性方程取相反数表示，写作：（2-3）曲线如图1.4（b）。Isc称为短路电流，而Voc为开路电压。在公式与模型中，涉及到了一些参数，对于太阳能电池的特性有着影响，比较关键的四个是二极管的反向饱和电流密度J0、二极管的理想因子n、电池的串联电阻Rs与电池的并联电阻Rsh。其中，二极管反向饱和电流密度J0与理想因子n都是二极管自身参数，J0与电池材料与制造工艺有关，n没有量纲，大约在1-2之间取值。串联电阻Rs一般不大，主要由电池材料与电极的接触电阻与体电阻造成。并联电阻Rsh的阻值较大，主要是由边缘和体内的漏电导致。1.3二维分布式模型介绍仅靠上述简单的等效电路模型，无法满足研究需求，需要建立太阳能电池的二维等效电路模型，如图1.5所示[13]。假设太阳能电池呈矩形状，出于更接近实际的模拟仿真目的，在平面上将太阳能电池划分为m×n个微单元，划分标准原则上与实际电池的尺寸成比例。每个微单元（μcell）都是分立的电路模块，相互之间呈并联关系，并由一些阻值较小的电阻连接而成。图1.5：二维等效电路模型示意图[13]Figure1.5Schematicdiagramof2-Dequivalentcircuitmodel纵向上，此电池模型共分为三层。顶层与底层分别是一些寄生的接触电阻与微单元之间的连接电阻，如：△RTCO是上层连接电阻，用以模拟顶层透明导电薄膜层；△RBC是下层连接电阻，模拟背部接触层，△Rmet则代表与金属电极的接触电阻。