①1997- 10- 17 收稿; 1998- 02- 15 定稿
②云南省“九五”科技攻关
资助项目
第 19 卷第 4 期 半 导 体 光 电 Vol. 19 No. 4
1998 年 8 月 Sem iconducto r Op toelectron ics A ug. 1998
太阳能电池并联电阻的一种测量方法①②
陈庭金 涂洁磊
(云南师范大学, 昆明 650092)
汪东翔 董 俊
(云南半导体器件厂, 昆明 650033)
摘 要: 对于用常规工艺制作的大面积太阳能电池, 需要经常对电池的并联电阻进行监测。
文章描述的从电流的直流模型导出的并联电阻测量方法, 只需将电池测量中的部分 I - V 数据进
行处理, 即可得出电池的并联电阻。
关键词: 太阳能电池 并联电阻 直流模型 测量方法
中图法分类号: TM 914. 4
A m easur ing m ethod for shun t resistance of solar cells
CH EN T ingjin TU J iele i
(Y unnan Normal Un iversity, Kunm ing 650092, CHN)
W NA G Dongx iang DON G Jun
(Y unnan Sem iconductor D ev ice Factory, Kunm ing 650033, CHN)
Abstract: Shun t resistance of la rge area so lar cells m anufactu red w ith conven t iona l p rocess
m u st be m easu red frequen t ly. A m easu ring m ethod fo r the shun t resistance derived from direct
cu rren t m odel is described, w h ich can be ob ta ined sim p ly by trea t ing a part of I - V data du ring
the m easu rem en t.
Keywords: So lar Cell, Shun t R esistance,D irect Cu rren t M odel,M easu ring M ethod
1 引言
太阳能电池产生的电能中, 有一部分由于电池
内部漏电流而损失。对于单晶硅和多晶硅电池, 形成
漏电的主要原因有: 通过 p - n 结的漏电流; 沿电池
边缘的
面漏电流; 金属化处理之后沿着微观裂缝
或晶界等形成的细小桥路而产生的漏电流。所有这
些漏电流在理论上都可以归结到电池并联电阻
(R sh) 之中。由于 R sh对电池的电性能有相当大的影
响, 所以在电池制作中, 总是希望R sh愈大愈好。对于
小面积电池, R sh常常是很大的。比如 1 cm ×2 cm 到
2 cm ×6 cm 的电池, 其 R sh的典型值是 (103~ 105)8 [ 1 ]。在生产和应用中, 通常认为 R sh的影响不太重
要, 在制作过程中一般也未进行控制。但对于大面
积单晶硅电池, 特别是多晶硅电池, 如面积为 (78~
100) cm 2, 其 R sh往往较低, 一般约为几欧姆, 因此,
R sh的影响不能忽略, 甚至成为影响电池输出功率的
重要因素。同时, 由于R sh的大小与生产工艺的关系
极为密切, 通过测量 R sh可以达到监控生产工艺的目
的, 所以在大面积电池生产中经常检测 R sh是必要
的。
由电池的直流模型方程可以导出一定条件下的
R sh表达式。通过测量电池的 I - V 数据并进行数据
处理, 可以计算出电池的 R sh值。
2 理论分析
2. 1 太阳能电池的直流模型[ 2 ]
太阳能电池的等效电路如图 1 所示, 相应的 I
- V 特性方程为
I = IL - I 0 e
q (V + IR s)
A kT
- 1 -
V + IR s
R sh
(1)
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式中, IL 为光电流, I 0 为暗饱和电流, A 为品质因
子, I 为输出电流,V 为输出电压, R s 为串联电阻。
图 1 太阳能电池等效电路图
F ig. 1 Equ ivalen t circu it of a so lar cell
这个模型称为太阳能电池的直流模型, 可由固
体物理理论推导出来的太阳能电池方程组得到, 并
在方程中增加A , R s, R sh三个参数以改善其精度, 在
太阳能电池的一般工作状态下, 式 (1)能较好地描述
其 I - V 特性。该模型已广泛用于太阳能电池及其
方阵的分析。根据式 (1) , 计算 I - V 特性与R sh的关
系, 结果如图 2 所示。图中示出特性曲线在V →0 附
近的行为与R sh的大小关系极大。
图 2 R sh取不同值时, 太阳能电池的 I - V 特性
F ig. 2 Curren t- vo ltage characterist ics of a so lar cell w ith
differen t values of shun t resistances
2. 2 R sh的表达式
首先, 我们研究一下, 在V →0 时, 式 (1) 的渐进
行为。对于硅太阳能电池, 一般满足
ID
IL
= I 0 e
q (V + IR s)
A kT
- 1 öIL ν 1
R söR sh ν 1
1 ≤A ≤ 2
(2)
根据式 (2) , 不难得到, 在V →0 时, 式 (1) 可写为 I≈
IL -
V + IR s
R sh
, 即
I≈ 1 + R sR sh
- 1
IL -
V
R sh
= IL -
V
R sh
= I sc -
V
R sh (3)
式 (3)表明, V →0 时, I - V 曲线有较好的线性关系。
将式 (3)微分, 得到 d Id V V = 0= -
1
R sh
, 即
R sh =
d I
d V
- 1
V = 0
(4)
式 (4)即为R sh的表达式。可见, 只要测量在V →0 附
近的 I - V 曲线的斜率, 就可以得到太阳能电池的
R sh值。
3 R sh的测量方法
在实验测量中, 可在 I - V 曲线的V = 0 处选择
一定的电压范围, 并认为在此范围内 I - V 曲线呈
线性关系来进行测量。由测出的 I - V 数据, 即可求
出斜率, 从而得出电池的 R sh。
为了尽量减少测量过程因偶然因素所造成的偏
差, 可以在选择的电压范围内采用多点测量的方法,
用多组 I - V 数据进行线性回归处理, 得出回归系
数[ 3 ] , 从而得出电池的 R sh值。电压范围的选择原则
是, 电池的 I - V 曲线在该段近似于线性即可。
4 实例
现以 TDB 100 硅电池为例。该电池以 <100 单晶
硅圆片为主要原材料, 采用绒面丝网印刷电极及背
场等工艺制作。在标准测试条件下 (AM 1. 5, 100
mW öcm 2, T = 25 ℃) 随机抽取样片的测试结果为:
开 路 电 压 (V oc)为 0. 607 2 V ; 短 路 电流 ( I sc)为 2.
416 6 A ; 峰值功率 (P m ax ) 为 1. 061 5 W ; 工作电压
(V m )为 0. 504 V ; 工作电流 ( Im ) 为 2. 106 2 A ; 填充
因子 (F F ) 72. 34% ; 转换效率 (Γ)为 13. 6%。
测量 R sh的电压范围选择为 (0~ 0. 144)V , 间距
为 0. 012 V , 共测量 I - V 数据 13 组, 实测值列于表
1。将表 1 中 13 组 I - V 数据进行线形回归处理, 求
出的回归系数为- 0. 289 9, 即可求出R sh值为 3. 449
1 8。假定在此电压范围的 I - V 关系如式
(下转第 262 页)
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4 结论
根据本文所提供的算法, 可以消除时间平均法
测振时所得到的条纹图中的背景光强。从式 (5)也可
看到, 由于无法消除 co s (
工程系, 获硕士学位。现在西
安交通大学激光与红外研究所
攻读博士学位, 主要从事电子散
斑干涉计量技术方面的研究。
(上接第 228 页)
(3)是完全线性的, 此时各测量点的电流值见表 1 中
所列的计算值, Ρ为实测值与计算值之偏差。
表 1 硅太阳能电池 I - V 特性的实测值与计算值
Tab. 1 The m easured va lues and ca lcula ted va lues of
I - V character istics of sil icon solar cells
V öV I öA(实测值) I öA(计算值) ΡömA
0 2. 416 6 2. 416 6 0
0. 012 2. 412 3 2. 413 1 - 0. 8
0. 024 2. 410 1 2. 409 6 - 0. 5
0. 036 2. 407 3 2. 406 2 - 1. 1
0. 048 2. 405 1 2. 402 7 - 2. 4
0. 060 2. 399 8 2. 399 2 - 0. 6
0. 072 2. 394 8 2. 395 7 0. 9
0. 084 2. 390 1 2. 392 3 2. 2
0. 096 2. 385 8 2. 388 8 3. 0
0. 108 2. 384 0 2. 385 3 1. 3
0. 120 2. 383 8 2. 381 8 - 1. 9
0. 132 2. 379 8 2. 378 3 - 1. 5
0. 144 2. 375 5 2. 374 9 - 0. 6
由表 1 可以看出, 在 (0~ 0. 144)V 电压范围内,
电流的实测值与按 I - V 线性关系处理的计算值之
间相差非常小, 最大的偏差为 3×10- 3 A , 仅为该点
电流值的 0. 126%。正如式 (3)所表明: 电池的 I - V
曲线在此段是非常接近线性的, 采用线性处理方法
所产生的偏差可以忽略, 同时也说明电压范围的选
择是合理的。不同种类的电池由于电性能有所差异,
可以选择不同的电压范围。一般R sh偏大的电压范围
可以选大一些, 只要满足上述原则即可。这种 R sh的
测量方法对于带计算机的测试设备是非常方便的,
只需将数据处理方法编入程序, 在测量 I - V 数据
的同时, 即可迅速地计算出电池的 R sh值。
5 结语
(1)对于大面积太阳能电池, 其并联电阻 (R sh )
与小面积电池的相比差异较大, 对电池质量亦有明
显的影响, 同时 R sh的大小与生产工艺密切相关, 因
此在生产过程中对 R sh进行监控是很有必要的。
(2) 在电压接近于零的一定范围内, 电池 I - V
曲线非常接近线性, 因此从电池直流模型导出的 R sh
测量方法是可行的, 其精确度主要取决于 I - V 数
据测量的准确性。
(3)上述测量方法简单、易行, 在测量电池 I - V
数据的同时即可迅速得出电池的 R sh值。
参 考 文 献
1 H ans S R auschenbach. So lar cell array design handbook.
U SA , 1984: 140
2 陈庭金. 关于 P - N 结光伏理论的若干问题. 太阳能学
报, 1992; 13 (3) : 308~ 314
3 庄楚强, 吴亚森. 应用数理统计基础. 广州: 华南理工大学
出版社, 1991: 301
陈庭金 男, 云南师范大学教
授。1972 年前在北京中科院数学
所从事粒子物理学的理论研究。
此后一直在云南师范大学从事
半导体太阳能电池的理论、实验
和应用研究。已发表科研论文 70
余篇, 参加的研究项目曾获国家和省级科技成果奖
共计 8 项次。
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