太阳电池模型及其二极管模型与仿真

虽说二极管模型是很多教科书的开篇模型，但估计仔细消化过的同志不多，其实它对于理解和分析从太阳电池到组件非常有价值，可以说太阳电池或组件的外特性都可以用二极管模型描述和解释。记得八年前开发IBC电池，遇到一个技术问题停顿了很久，什么EL、PL、Sinton等测试手段用上了还是不得要领，当时公司请的顾问F.Granek（Fraunhofer早期IBC电池的研究者，很好的老师当年做了很多指导）也被这个问题所困扰找不出根本原因。之后有一段时间每次测试完电池性能曲线就和老板在回公司的车上头脑风暴讨论各种可能性，最后是就从分析二极管模型中‘顿悟’找到问题原因的，那段时间算是把这个二极管模型彻彻底底想明白了。

言归正传，太阳电池二极管模型等效电路如下图所示。

图 太阳电池双二极管模型

其输出特性符合如下方程：

其中，

I L ，光生电流，辐照度/温度对光生电流IL有直接影响，可由下式表达

式中，

等于1000W/m ^2^ ；

等于298K；

为电流温度系数；

I 0 ，反向饱和电流，温度对反向饱和电流有主要影响，可由下式表达

式中，

为材料的能带宽度（硅材料约为1.12eV），单位为J（1eV = (1.602 177 33±0.000 000 49)×10-19J）；对于包括硅在内大多数半导体，由于晶格的热膨胀，禁带宽度Eg随温度的增加而减小，硅的禁带宽度与温度的关系在SPICE中的计算方程如下式。在T=300K时，利用该方程得到的Eg=1.115eV。

k B ，波尔兹曼常数，1.380649×10^-23^ m^2^ kg s^-2^ K ^-1^ ；

q，电子电量，1.602 177 33(49)×10^-19^ C；

Rs，二极管电路串联等效电阻，辐照度/温度对串联等效电阻Rs影响可由下式表达

Rp，二极管电路并联电阻,辐照度/温度对并联等效电阻Rsh影响可由下式表达

式中，

最大功率点电压，其温度系数约等于

；

最大功率点电流；

T/Tc，工作温度；

V，二极管电路输出电压；

I，二极管电路输出电流；

依据以上模型，可以用Matlab中的Simulink模块构建了一个太阳电池仿真模型（如下图），分析不同参数下太阳电池的输出特性：

根据上图中所设置参数，可得到如下太阳电池模拟输出特性（横轴‘电压’，纵轴‘电流’）。通过修改模型中的各种参数就可以分析各种因素对太阳电池输出特性的影响。