有机光伏电池输出特性模拟实验研究
基于Bezier函数的光伏电池电压-电流输出特性曲线求解算法介绍
基于Bezier函数的光伏电池输出特性曲线算法朱显辉博士后黑龙江科技大学1算法简介本课题组开发了一款简单、准确、快速的光伏电池输出特性曲线计算方法，所提方法无需繁琐的数值计算和任何实验测试，仅需利用厂商给定数据，即可给出不同光伏电池输出特性Bezier函数拟合的代数方程，并利用美国能源局网站中2000余种不同光伏电池进行了验证。
结果表明，在取500个数据点时，所给Bezier函数拟合方法的计算时间小于85ms，平均相对误差小于1%，和当前其他光伏电池建模方法相比，具有非常高的精度和准确性。
Bezier函数建模方法可以单独开发为计算机仿真软件，也可以用于高精度光伏模拟器的上位机中，实现对光伏电池输出电压-电流数据曲线的计算，进而为光伏组件的对比分析、最大功率跟踪、逆变并网、效率对比、成本评估和老化分析等提供可靠的平台。
2当前光伏电池输出特性算法不足光伏模拟器主要用来对光伏电池的输出特性进行模拟，具有不依赖于光照强度和温度等环境因素，并且能够对任意输出特性曲线随时复现的特点，是研究光伏发电相关问题的重要基础。
为实现对光伏阵列输出的电压-电流特性的模拟，光伏模拟器需要在事先利用软件计算出光伏电池的输出特性，然后再以计算得到的电压-电流的数据为基础，利用硬件电路给出不同电压和电流的输出，从而实现对光伏电池输出特性的模拟。
当前市场上光伏模拟器主要有两种算法，一种是利用类似于“抛物线”公式的计算方法；二是利用牛顿拉夫逊或智能优化等数值算法进行计算，其中，第一种“抛物线”公式计算方法具有以下不足：1.抛物线公式给出的电压-电流输出和实际光伏电池真实输出的数值相差甚远利用类似于“抛物线”公式的光伏模拟器只能给出一条经过开路电压、短路电流和最大功率点的一条输出特性曲线，该曲线类似于“抛物线”，并且通过对“抛物线”进行缩放，或者通过用户输入的电压和电流的温度系数进行简单的计算，给出光照强度和温度变化时模拟器输出的电压和电流值，而实际上光伏电池输出的曲线除开路电压、短路电流和最大功率点之外，曲线其他部分的形状千差万别，当前光伏模拟器采用同一条“抛物线”进行缩放的方式，导致其输出与光伏电池真实的输出特性相差较大。
实验7 虚拟仿真实验--太阳能电池的特性测量(2)
本实验万用表作为电流表时选择量程
，作为电压表时选择量程。连
线时注意黑色表笔连接接地端，红色表笔连
接电流（或电压）插孔。把量程调节到相应
的档位，打开开关即可进行读数。
双击电池板可弹出放大图，每个九宫格
上的点是连接在一起的，在放大图里调节可
变电阻的大小。
测量值/组数
第一组
第二组
第三组
第四组
()
39.91
51.06
69.92
109.59
()
45.45
58.00
79.60
127.15
/
0.878
0.880
0.878
0.862
表5 电阻 及由 = / 得到的内阻的比较
第一组
第二组
第三组
第四组
()
的重要电源。
随着可再生能源的渐趋枯竭和石化燃料
带来污染的日趋严重，太阳能电池将成为未
来重要的基础能源之一。
图1 共享单车车筐里的太阳能电池板
三、实验原理/ 3.2 PN结
光照
+
+
+
+
内建电场
-
PN结即最简单的太
阳能电池器件
图2 太阳能电池的原理图
PN结内部存在由正、负离子的扩散引起的内建电场（如图2所
双击光源电源可弹出放大图，在放大图
里调节光源的亮度。
图5 万用表放大图
四、实验内容/4.2 实验步骤
1. 按右图所示连接电路图
2. 左边万用表作为电流表，量程选。右边万用表作为电压表，
量程选为；
太阳能电池特性实验仪实验报告
太阳能电池特性实验仪实验报告太阳能电池特性实验仪能源短缺和地球⽣态环境污染已经成为⼈类⾯临的最⼤问题。
本世纪初进⾏的世界能源储量调查显⽰，全球剩余煤炭只能维持约216年，⽯油只能维持45年，天然⽓只能维持61年，⽤于核发电的铀也只能维持71年。
另⼀⽅⾯，煤炭、⽯油等矿物能源的使⽤，产⽣⼤量的CO2、SO2等温室⽓体，造成全球变暖，冰川融化，海平⾯升⾼，暴风⾬和酸⾬等⾃然灾害频繁发⽣，给⼈类带来⽆穷的烦恼。
根据计算，现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。
我国能源消费以煤为主，CO2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO2、SO2等温室⽓体，已经成为刻不容缓的⼤事。
推⼴使⽤太阳辐射能、⽔能、风能、⽣物质能等可再⽣能源是今后的必然趋势。
⼴义地说，太阳光的辐射能、⽔能、风能、⽣物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动，周⽽复始地循环，⼏⼗亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再⽣能源。
太阳的光辐射可以说是取之不尽、⽤之不竭的能源。
太阳与地球的平均距离为1亿5千万公⾥。
在地球⼤⽓圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m2，称为太阳常数。
到达地球表⾯时，部分太阳光被⼤⽓层吸收，光辐射的强度降低。
在地球海平⾯上，正午垂直⼊射时，太阳辐射的功率密度约为1kW /m2，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。
太阳光辐射的能量⾮常巨⼤，从太阳到地球的总辐射功率⽐⽬前全世界的平均消费电⼒还要⼤数⼗万倍。
每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。
太阳能不但数量巨⼤，⽤之不竭，⽽且是不会产⽣环境污染的绿⾊能源，所以⼤⼒推⼴太阳能的应⽤是世界性的趋势。
太阳能发电有两种⽅式。
光—热—电转换⽅式通过利⽤太阳辐射产⽣的热能发电，⼀般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸⽓，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低⽽成本很⾼。
光—电直接转换⽅式是利⽤光⽣伏特效应⽽将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池特性测量及应用实验
太阳能电池特性测量及应用实验能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。
本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216 年，石油只能维持45 年，天然气只能维持61 年，用于核发电的铀也只能维持71 年。
另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO2、SO2 等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。
根据计算，现在全球每年排放的CO2 已经超过500 亿吨。
我国能源消费以煤为主，CO2 的排放量大约占世界的25，位居世界第一，所以减少排放CO2、SO2 等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。
推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。
广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。
太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。
太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。
在地球大气圈外，太阳辐射的功率2密度为1.353kW /m ，称为太阳常数。
到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。
在2地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射的功率密度约为1kW /m ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。
太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。
照射在地球上的太阳能非常巨大，每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的能量消费。
可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。
而且太阳能发电干净，不产生公害。
所以太阳能发电被誉为最理想的能源。
太阳能发电有两种方式。
光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。
有机太阳能电池实验报告
有机太阳能电池实验报告实验项目名称P3HT-PC61BM 体异质结聚合物太阳能电池器件制作与性能测试实验日期指导老师实验者学号专业班级第一部分：实验预习报告一、实验目的通过在实验室现场制作 P3HT-PC61BM 聚合物体异质结太阳能电池器件以及开展电池性能测试，了解有机太阳能电池的制作工艺和流程，熟悉相关的加工处理和分析测试设备工作原理和使用方法，加深对有机太阳能电池的感性认识，提高学生的实际操作能力，培养学生对科学研究的兴趣。
二、实验仪器电子分析天平、加热磁力搅拌器、超声仪、紫外臭氧清洗系统、旋涂仪、惰性气体操作系统、真空蒸镀系统、太阳光模拟器、数字源表、台阶仪三、实验要求1.严格按照实验室要求和规范开展实验，未经允许不得随意触摸或按动设备开关或按钮以及设备控制系统。
2.实验期间保持室内安静，保持实验室内清洁卫生。
3.熟悉有机太阳能电池加工与测试相关设备、原理和方法。
四、实验内容和实验步骤1．聚合物体异质结加工溶液的配制（活性层 P3HT:PCBM 溶液的配制）在手套箱外称取所需的 P3HT 和 PCBM ，混合好装入带有磁子的 5mL 瓶子中，转移到手套箱中；用一次性注射器吸取 oDCB（邻二氯苯）溶剂，配成 17mg mL-1的溶液，放到加热台（加热台需要 5 分钟的稳定时间）上，设置温度为85℃，搅拌 1h 后，冷却至室温待用。
2．导电玻璃表面清洁与处理。
A．首先确认 ITO 面，用万用电表（打到Ω档）测试其表面电阻，有电阻的一面为 ITO，在其反面的边缘处刻‘上’字（见下图）。
将 ITO 依次放到去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗 10 分钟。
每次超声完毕，用镊子取出 ITO，用同样的溶剂反复冲洗两面三次，之后用氮气枪迅速吹干，立刻放到盛有下一种溶剂的容器中清洗。
最后将用氮气枪吹干的ITO 转移到六孔板中转移至紫外/臭氧清洗机（操作详见其说明）中，将 ITO面朝上，表面清洁处理 10 分钟后，将 ITO 取出并置于六孔板中待旋涂PEDOT:PSS（ITO 面朝下）。
任意辐照与温度条件下光伏电池输出特性的建模与分析
任意辐照与温度条件下光伏电池输出特性的建模与分析根据光伏电池输出特性关系式，以MATLAB/Simulink軟件为电池模型仿真平台，建立辐照与温度可变的光伏电池仿真模型。
模拟光伏电池在任意辐照度、环境温度下的输出特性，用于光伏阵列局部阴影时的仿真研究。
标签：光伏电池；输出特性；仿真模型1 概述太阳能作为清洁可再生能源已成为各国研究的热点，光伏电池通过光伏打效应将太阳能转换为电能，其在光伏发电系统中占有主要作用。
因此熟悉光伏电池在各种工况下的输出特性，对太阳能的发电系统的应用与设计非常重要。
本文通过对光伏电池输出特性进行建模，通过仿真得到光伏电池的各种特性曲线。
仿真结果说明，仿真模型在不同工况下的输出特性与实际太阳能电池板输出特性非常接近，验证设计的准确性。
2 光伏电池数学模型光伏电池发电原理是基于半导体PN结的光伏打效应，当物体接受光照时内部的电荷分布发生改变，从而产生电势。
当与电池正负级连接的电路形成闭合回路时便会有功率输出。
实际应用中通常把标准数量的光伏电池单体串并联起来获得一定的能量输出。
光伏电池的输出特性辐照度与温度影响较大，需要结合一定的环境修正参数才能更加准确描述光伏电池的输出特性。
本文使用MATLAB建模的简化光伏电池数学模型[1-2]如下：式中，C1、C2为修正系数，Iph为光伏电池短路电流，VOC为开路电压，Vm、Im为最大功率点电压、电流。
3 任意辐照度和温度下的光伏电池仿真结果基于以上数学模型，在MATLAB/simulink工具下建立仿真模型。
光伏电池组件厂商会提供标准工况下参数，最大功率点电压Vm=17.0V，最大功率点电流Im=4.4A，开路电压VOC=21.8V，短路电流Iph=4.80A。
模型可以根据以上标准参数（环温25℃，光照为1000W/m2）得到标准情况下的输出特性曲线。
当辐照度与温度发生变化时模型就不适用了。
需要重新来描述新的输出特性曲线，一般可采用方法如下：（1）计算出一般工况与标准工况的温度差△T和限度辐照差△S：△T=T-Tref，△S=S/Sref-1。
光伏电池输出特性测试
任务1：光伏电池输出特 性测试
项目四 光伏电池检测
硅光伏电池的等效电路
硅光伏电 池的等效 电路相当 于一个恒 流源Iph 和二极管 并联
测试工装采用 全国技能大赛
光伏模块
模块一：光伏 电池组件
模块二：光源
模块三：可调 电阻
模块四：有源 数字电流、电压表01 检测步骤02
太阳能电池板正对中间一盏投光灯，打开投光灯，使灯照射到太阳能电池板上。 调节可调电阻，按照阻值从高到低顺序，当电压表为整数时，记录当前电流，按
照电压从高到低顺序，每隔一定的电压段，记录一个电流表数据。 通过记录的电压电流数据，计算每个电压、电流对应的功率。 绘制功率曲线，并找出最大功率点。
数据表与曲线
二、光伏电池 的输出特性曲
线
结论
光伏电池是一个非线性电源，既 非恒压源，也非恒流源。
在光照强度不变的情况下，它的 功率输出具有极大值。
相同型号的光伏 电池组件并联能 否增加光伏组件 的开路电压？请 简述理由。
光伏电池组件在 1盏投射灯和在2 盏投射灯同时亮 的情况下输出的 电压是不同的， 请简述理由。
通过光伏电池组件 的输出特性测试， 可以了解到光伏电 池的输出功率特性 是非线性的，请简 述对最大功率点功 率的理解。
硅光伏电池的开路电压Uoc即负 载RL→∞时的输出电压值
研究光伏电池输出特性的目的是 因为光伏电池本身是一种不稳定 的电源，因此需要在不同日照、 温度的条件下输出尽可能多的电 能，以提高系统的效率。
作业布置
光伏电池单体是光 电转换的最小单元， 光伏电池单体的工 作电压为0.5V左 右，如何检测光伏 电池单体的工作电 压？
太阳能光伏电池的实验研究与模拟分析
太阳能光伏电池的实验研究与模拟分析近年来，随着环保、节能理念的普及以及传统化石能源的日益减少，太阳能光伏电池的应用越来越广泛。
为了更好地了解太阳能光伏电池的性能及其适用范围，我们开展了实验研究与模拟分析。
一、实验研究1.1 实验设计首先，我们选择了市场上常见的硅基P-N结太阳能电池，并制备了多个样品。
我们在实验室中构建了一个太阳光模拟系统，通过调节光源的功率、位置和角度等参数，模拟不同光强度和光照角度的情况。
同时，我们还设计了一个光电转换效率测试系统，用于测试样品在不同光照条件下的电流和电压输出，并计算出光电转换效率。
1.2 实验结果通过实验，我们得出了以下结论：（1）当光照强度增加时，样品的输出电流和电压均增大，但是光电转换效率并没有显著提高。
（2）光照方向对样品的输出电流和电压有一定的影响，当光照方向垂直于太阳能电池表面时，输出效果最好。
（3）不同样品的光电转换效率有所差异，其中质量较好的样品光电转换效率可达25%以上。
1.3 分析与展望通过实验研究，我们了解了太阳能光伏电池的基本性能，但是实验结果还无法覆盖所有应用场景。
未来我们将继续深入研究，探究太阳能光伏电池在不同光照和气候条件下的性能表现，并进一步优化电池的结构和材料，以提高光电转换效率和适用范围。
二、模拟分析2.1 模拟方案为了更加深入地探究太阳能光伏电池的性能，我们借助计算机模拟技术，对太阳能电池的光电转换效率进行了模拟分析。
我们通过建立太阳能光伏电池的数学模型，模拟不同光照强度、光照方向和温度条件下的电流和电压输出，并计算光电转换效率。
2.2 模拟结果通过模拟分析，我们得出了以下结论：（1）随着光照强度的增加，太阳能电池的输出电流和电压逐渐增大，但是在光照达到一定强度后，输出电流和电压的增加趋势会趋于平缓。
（2）光照方向对电池的输出电流和电压有显著影响，当光照方向垂直于太阳能电池表面时，电池的输出效果最佳。
（3）温度对太阳能电池的性能有一定影响，当温度较高时，电池的输出电流和电压会有所下降。
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下 的仿 真结 果 和 Ｙ ｕ ｇ ｙｏＫｍ 及 Ｍ Ｇａｔａｒ ｏ ｎ ｋｏ ｉ ｌｔ ａ 的实 ｈ 验 结果 进行 了对 比分 析 ．
１ 有机光伏 电池机理及其等效电路
有 机光伏 太 阳能 电池 基 于半 导 体 光伏 效 应 ，其
规模 生产对 环境 造成 的影 响 ，是 光伏 电池 的发 展 方
本文 建立 了有 机光伏 电池 的等效 电路模 型 ，利 用 Ｍａａ ｔ ｂ软件建 立 了 电池 输 出特性 的仿 真 系统 ，分 ｌ 析 了各 参 量对 电池 特性 的影 响．制 备 了基 于 Ｐ ＨＴ ３ ／ Ｐ Ｂ 的体 异质 结 有机 太 阳能 电池 ，将 测 试结 果 和 ＣＭ
究 有益 于掌握 光伏 器件 光 电特 性 的基 础 ，有 机 光伏
虽 然有机 太 阳能 电池微 观 机理 不 同于无 机 太 阳 能 电池 ，但从 宏观 角度 分 析 ，有机 光 伏 电池 的等 效 电路 模 型可与 无机 太 阳能 电池 近似 ，仅 有一 些 特性 参数 不 同．Ｃ ｒ ｔ ｈＪＢａ ｅ ｈｉｏ ｒｂ ｃ等在研 究基 于 ＭＤ 一 ｓｐ ＭＯ
摘
要 ：分析有机 光 伏 电池 机理 及等 效 电路 模 型 ，利 用 Ｍａａ 件 建 立有 机 光伏 电池 伏 安特 性仿 真 系 ｔｂ软 ＿ ｌ
统 ，定量模 拟 有机光 伏 电池 内部 串联 电阻 、分 流 电 阻对其 伏 安特 性 、开 路 电压 和 短路 电流 的 影 响． 制备 了 体异 质结 有机 光 伏 电池 ，仿 真对 比和 实验 结果 吻合 ． 关键词 ：有机 光伏 电池 ；伏 安特 性 ；体异质 结 ；等 效 电路 ；共轭 聚合物
Ｖｏ． Ｎｏ １２５ ．１
Ｊｎ ０ ８ ａ ．２ ０
文章 编 号 ： ０ ０２ １ （ ０ ８ ０ —０ ２ ０ １０ －６ ８ ２０ ） １０ ８ ６
【 电子光学与信息工程】
有 机 光 伏 电池 输 出特 性 模 拟 实 验 研 究
李卫 民 ，郭金 川 一 ，孙 秀泉４ ，周 彬
微 观机 理不 同于无 机太 阳能 电池 ． 有机 光伏 效 应
前 ，有机光 伏太 阳能 电池 的光 电转 换 效率 和无 机 太
阳能 电池相 比还 较低 ，因此 如 何 提高 有 机 光伏 器 件
的转换 效率 是其研 究 的重点 ¨ 』 。．
有机太 阳能 电池 的工作 原 理 与无 机太 阳能 电池
（ ．华中科 技大学光电子科学 与工程学 院 ，武汉 ４ ０ ７ ；２ １ ３０ ４ ．光电子器件与系统 （ 教育部 、广东 省）重点实验 室 。 深圳 大学 ，深圳 ５ ８６ ； ．深圳 大学光电工程学院 ， １００ ３ 深圳 ５ ８６ ； ．深圳大学 电子科学与技术学 院 ， １０ ０ ４ 深圳 ５ ８６ １０ ０）
一
定参 数 下 的仿 真结 果进 行 比较分 析 ；将 一 定 参数
向． 近年来 ，导 电聚合物 的研 究 使 开发 低成 本 有 机 聚合 物光伏 电池成为 可 能．有 机 光伏 太 阳能 电池 的 优 点 在于 有机化 合物 的种 类 繁多 ，有机 分 子 的化 学 结 构容 易修 饰 ，化合 物 的制备 提 纯 加工 简 单 ，容 易
表 １ ．
类 似 ，都是 基 于半 导体 界 面 附近 的光 生 伏 特 效 应 ．
目前无 机太 阳能 电池 的理论 研 究 较成 熟 ，而有 机半 导 体光 生 电流产 生的 过程 以及 理论 描 述仍 在 发 展 之
中．
对 有机太 阳能 电池 从宏 观 方 面进 行伏 安 特 性研
器 件 的光 电流产生 和 载流子 传输 可 表 征其 微 观 结构 函数 ，其 输 出特性 可有 效反 映 有机 太 阳能 电池 的微 观 结构机 理 ，有机 光 伏 电池 器 件 结 构 设 计 和 选 材 ，
收 稿 日期 ：２ ０ —９ １ ；修 回 日期 ：２０ —２ ０ ０ ７０ —２ ０ ７ １— ９ 基金项 目：教育部 （ 深圳大学 ）光电子器件与 系统重点实验室和广东省光电子器件与系统重点实验室开放基金资助项 目 （ ０ ６０ ２ ００ ７） 作者简介 ：李卫民 （ ９０ ） １７ ． ，男 （ 汉族） ，河南省鹤壁市人 ，深圳大学与华中科技 大学联合培养博士研究生 、高级实验师．
中图分 类号 ：Ｔ １ Ｍ９ ４ 文献标 识码 ：Ａ 对 提高有 机光 伏 电池 的光 电转 换效 率 有重要 意义 ．
利 用光伏 效应 的太 阳能 电池作 为 清 洁能 源 是 目
前研 究 的热点 ．传 统 的无机 材料 太 阳能 电池 因生产 工艺 复杂 、设 备 昂贵 、硅材料 受 限 以及 转 换 效率 基 本达 到极值 等 原 因 ，使其 深入 发展 受到 极大 限制 ． 改善太 阳能 电池 性 能 ，降低 制 造成 本 ，减少 大
过 程包 括 ：① 光 子 入 射 和 激 子 的 产 生 ；② 激 子 扩 散 ；③ 载流 子 的 生成 ；④ 载 流 子 迁 移 与 电极 吸 收． 与无 机 太 阳能 电池 相 比，在转 换 效 率 、稳定 性 等 方
面 。有 机太 阳能 电池还 有 待 提高 ． 有机 光伏 电池 的 开 路 电 压 通 常 为 几 百 毫 伏 ，短 路 电流 一 般 为 微 安 级 。填 充 因子 比较低． 部分 有 机 光伏 电池 的参 数 见
维普资讯
第２ ５卷 第 １ 期 大 学 学 报 理 工 版
Ｊ ＲＮＡ Ｆ Ｓ ＮＺ ＯＵ Ｌ Ｏ ＨＥ ＨＥＮ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｉ Ｃ ＥＮ Ｅ ＡＮＤ ＥＮＧＩ Ｅ ＮＧ ＳＴＹ Ｓ Ｉ Ｃ ＮＥ ＲＩ