【《Hspice建模仿真太阳能电池的分析案例》2600字】

Hspice建模仿真太阳能电池的分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10381Hspice建模仿真太阳能电池的分析案例 113001.1SPICE简介 168111.1.1SPICE简介 199501.1.2Spice仿真流程 1289301.2模型建立 214081.2.1子电路拆分 2287231.2.2设计实现 3298901.3仿真结果 485921.4参数影响 61.1SPICE简介1.1.1SPICE简介随着集成电路技术的不断发展，集成度越来越高，器件数目也与日俱增，EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）软件成为设计过程中必不可少的工具。其中，SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis，仿真电路模拟器）是目前最为流行的一种，市面上有Hspice、Pspice等不同厂商提供的以SPICE为核心的仿真软件。SPICE是在二十世纪七十年代初由加州大学伯克利分校的研究者首先研发而成，并逐步完善更新、发展至今，为电路设计者提供了很多方便。作为一项强大的电路仿真工具，已经有成果[NOTEREF_Ref12331\h8-NOTEREF_Ref17579\h14]证明其非常适用于太阳能电池的研究分析。新思（Synopsys）公司旗下的Hspice软件是目前最为成熟、在业界使用最为广泛的SPICE工具之一[26]。本文即采用Hspice软件来完成等效电路的模拟仿真。1.1.2Spice仿真流程首先根据所需建立的电路网表编写Hspice的输入文件，后缀名为.sp，而后导入Hspice软件的hspui仿真器，经过运行程序，将会生成一系列后缀不同、内容不同的输出文件，其中，后缀名为.sw0的文件为所需数据。为了读取数据的直观与可处理性，将.sw0文件用Matlab中的Hspice转换工具包进行处理后读取。该数据文件中蕴含直流扫描下各个节点的电流与电压信息，经运算，即可模拟得太阳能电池的电流-电压（I-V）特性曲线，再模拟注入一定量电流，经过进一步计算，可绘制得到在该条件下太阳能电池的空间电压分布情况。1.2模型建立1.2.1子电路拆分电路网表所用原理即第二章中所提到的二维等效电路模型。由于在实际实验中所用为30cm×30cm的电池，因而选择搭建30×30个最小电路单元，当然也可以选择划分更精密、数目更多的点来组成网表，例如：300×300，甚至更多，但仿真的复杂度与资源消耗就会更多，经过权衡确定模拟所用网表数目。图1.1[27]所示即为电路网表构建中所需的最小电路单元，暗条件下它是以一个二极管、一个串联电阻与一个并联电阻为基础，光条件下再并联一个光生电流源。每个单元额外由上层电阻与下层电阻串联而相连。图1.1：模型的最小电路单元[27]Figure1.1Minimumcircuitunitofthemodel[27]为了将基本电路单元与上下层连接电阻更好地组成在电路中，整个网表（如图1.2，以坐标形式展示）由四类基本子电路构成（如图1.3所示）。将一个最小电路单元视为一个点（·），将上下层连接电阻用直线（—、|）表示。（1,1）点使用a，（x,1）点（x>1）使用b，（1,y）点（y>1）使用c，其余点使用d。点（·）为最小电路单元线（—、|）为连接电阻图1.2：30×30网表平面示意图图1.3：四类子电路平面示意图Figure1.230×30netlistFigure1.3Fourtypesofsub-circuits1.2.2设计实现根据太阳能电池的真实测试实验数据所提取的参数，需要进行一些转化，再用作模型的参数。假设子电路个数为n×n，S为太阳能电池的面积，那么转化过程是：串联电阻：（为原串联电阻的值）（4-1）并联电阻：（为原并联电阻的值）（4-2）反向饱和电流密度：（为原反向电流饱和密度的值）（4-3）二极管理想因子n保持不变。当然，从测试数据中所拟合得到的参数会与电池的实际参数之间存在一定的微小差异。为了保证Spice仿真模拟更精确，除了上述对于参数的转换，还进行了一些提前仿真，并微调参数，使输出结果与真实实验更为吻合。最终所确定的参数见表1.1。表1.1用于仿真的不同条件下太阳能电池模型参数值Table1.1ModelparametersofsolarcellsunderdifferentconditionsforsimulationJuc(A/cm²)nucRS-uc(Ω·cm²)Rsh-uc(Ω·cm²)JL-uc(A/cm²)Dark5×10-121.45651.35×107Light5.3×10-121.42901.35×1071.15×10-4确定参数后，将它们代入电路代码与网表之中，运行程序，得到输出的结果。1.3仿真结果仿真采用直流电流扫描，读取整个电路的电压的方法。图1.4即在暗、光条件下实验测试与模拟仿真得到的太阳能电池的伏安特性曲线，蓝色圆点为实验数值，黑色实线为模拟得到的曲线，二者基本可以达到重合，说明本课题所使用的二维分布式电路模型可以正确反应太阳能电池的一些特性。图1.4：模拟仿真I-V曲线与实验I-V曲线比较（a）暗条件下；（b）光条件下Figure1.4ComparisonofsimulatedI-VcurveandexperimentalI-Vcurve(a)Underdarkcondition;(b)underlightcondition对于暗条件下的二维等效电路模型作进一步分析。在通过建模仿真验证完模型有效性后，对电路注入具有不同电流密度的正向电流，然后通过Matlab程序提取电路网表内每个格点的数值。此时，可以获得所有子电池上二极管的节点电压，再计算得到不同注入电流下太阳能电池的空间分辨特性，绘制出电池的电压空间分布图。为了模拟效果更加接近实际情况，在电池四周对相应子电池的串联电阻值进行增大以模拟边缘效应。另外，在对电流注入点的选择上，也和实验保持一致，没有选择中心位置；同时，对电极处子电池的串联电阻也进行了适当增大以模拟电极的遮挡效应。图1.5：25℃，电流密度25mA/cm2下仿真得到的电池电压二维分布图像Figure1.525℃,J=50mA/cm2,2-Dvoltagedistributionsimulationimageofthesolarcell如图1.5所示，在温度为25℃，注入的电流密度为25mA/cm2的条件下，模拟仿真得到的太阳能电池电压空间分布图像。从图中结果看，等效电路模型中的电压分布定律类似于实际电池的电压分布，反映出太阳能电池的电压分布有着不均匀性。在电流注入点周围的子电池电压会更大，以此点为中心，向周围逐步减小。而在边缘和电极处电压有着显著的衰减现象，因为这些位置子电池的串联电阻较大，对应二极管的分压就会减小。太阳能电池分布式模型的电压空间分辨特性对于缺陷检测有很大的作用，通过模拟各类缺陷对于电压分布产生的变化，与实际测试的电压分布图进行比较，就可以了解电池中各处缺陷的具体情况。1.4参数影响二维分布式模型中的各个参数都会使太阳能电池的特性产生一定变化，为了进一步深入研究各个参数的意义，下面继续基于Hspice的仿真模拟结果（图1.6），探讨四个参数二极管反向饱和电流密度J0、理想因子n、串联电阻Rs、并联电阻Rsh对于电池的特性具体有何影响。以光条件下情况为例。保持其他参数不变，改变太阳能电池二极管的两个参数J0与理想因子n，从图1.6（a）、（b）可以看到，这两个参数对于伏安特性的趋势上没有改变，短路电流也没有变化，主要改变了开路电压。不同的点是，J0越大，开路电压越小；而对于n，n越大，开路电压越大。图1.6：不同参数对太阳能电池伏安特性曲线的影响（a）二极管反向饱和电流密度J0；（b）二极管理想因子n；（c）串联电阻Rs；（d）并联电阻RshFigure1.6TheinfluenceofdifferentparametersontheI-Vcharacteristicsofsolarcells(a)DiodereversesaturationcurrentdensityJ0;(b)Diodeidealfactorn；(c)SeriesresistanceRs;(d)ParallelresistanceRsh图1.6（c）反映