太陽電池のモデル実験をしたいと思っています。

Question

I = Iph - Is {exp(v/n*Vt)-1} - v/Rsh

Iph;光電流、Is;逆方向飽和電流、n；ダイオード因子、Vt；kT/q(k;ボルツマン定数、q;電荷素量、T;絶対温度）、Rsh；シャント抵抗

という方程式を用いて、計算シミュレーションすることで、実験値と比較したいと考えています。

質問は以下です。

方程式を使用して、実際の太陽電池のIV特性を調べるために、その太陽電池の各パラメータが必要になりますが、その測定法がわかりません。

(1)光電流;Iphは太陽電池の端子に電流系を直列に接続し、測定する。で大丈夫でしょうか。

(2)逆方向飽和電流;Ishの測定方法は何もわからないので、どのように測定すれば良いか教えてください。

簡単な質問を。と思うかもしれませんが、インターネット等で調べたつもりですが分かりませんでしたので、初心者ということでよろしくお願いします。

inara · Accepted Answer

太陽電池の回路モデルは、添付図のように、シャント抵抗 Rsh だけでなく、直列抵抗 Rs を加えたほうがいいです。

その場合の発電特性（V - I 特性）は、式で表すと式(1)、概形は添付図の右下のようになります。開放電圧 Voc での傾斜（dI/dV）から直列抵抗 Rs が求められます。短絡電流 Isc での傾斜（dI/dV）からシャント抵抗 Rsh が求められます（これは簡易法で、厳密には式(1)～(3)を連立させて解きます）。

＞(1)光電流;Iphは太陽電池の端子に電流計を直列に接続し測定する
電流計を太陽電池の出力端子に直結するというのは、短絡電流 Isc を測定していることになりますが、太陽電池の直列抵抗　Rs が十分小さいのなら、その電流が光電流になります。
式(3)から
　　　Iph = ( 1 + Rs/Rsh )*Isc + Is*[ exp( Isc*Rs/n/VT ) - 1 }
となりますから、Rs = 0 とみなせるのなら
　　　Iph ～ Isc --- (4)
となります。上のように、電圧－電流特性の傾斜から Rsh と Rs を求めて、Rs/Rsh < 0.01 で、Rs*Isc < n*Vt ～ 0.1V なら、式(4)が成り立つと考えて構いません。

＞逆方向飽和電流;Ishの測定方法
Ish でなく Is のことですね。
太陽電池は、光を当てないとき（Iph = 0 のとき）は単なるダイオードですから、逆バイアスをかけると（出力端子の＋側に－電圧を、－端子に＋電圧をかけると）、太陽電池に流れ込む電流は、シャント抵抗 Rsh に流れる電流と、飽和電流 Is の和になります。つまり逆電圧を V （V>0)、逆電圧を I ( I>0) とすれば
　　　I = Is + ( V - I*Rs )/Rsh
　　　→ Is = ( 1 + Rs/Rsh )*I - V/Rsh
で飽和電流を計算できます。実際の測定では逆電圧の大きさは1V程度としてください（逆電圧が大きいほど、測定される電流は、シャント電流に流れる電流の割合が大きくなって、飽和電流の測定精度が悪くなるし、逆バイアスが大きいと素子が壊れてしまうため）。また、完全に暗くして測定しないと、Iph が Is より大きいなって何を測定しているか分からなくなるので、暗くした状態で短絡電流 Isc を測定して、それが予想される Is より小さくなっていることを確認してください。

inara · Answer

太陽電池に逆バイアスをかけて飽和電流 Is を測定する方法は、シャント抵抗が小さくて、シャント抵抗に流れる電流＞飽和電流 となってしまう場合には適していません。その場合には、順バイアスでの電圧-電流特性から飽和電流を求める方法があります。添付図左側のように、電流の対数を縦軸とした電圧-電流特性を描いたとき、直線的に変化する部分が、シャント電流の影響も直列抵抗の影響も受けない部分です。この直線部分を下側に延長して、縦軸と交わる点の電流が飽和電流になります。直線的に変化する部分の適当な2点 (V1, I1), (V2, I2) から次式で計算することもできます。
　　　n*Vt = ( V1 - V2 )/ln( I1/I2)
　　　Is = I1/[ exp{ V1/( n*Vt ) } - 1 ]