光伏电池负载工作方式选择

光伏电池的两种输出量与负载的关系

光伏电池（光电池）受光照后，在PN结两端产生光生电动势，外接负载时既有光生电动势（电压）输出，也有光电流输出。同一器件在不同负载电阻下表现出的输出量不同：

• 负载电阻趋于零（外接负载相对于光电池内阻很小时）的电流称为短路电流，记为 $I_{sc}$，单位为 A 或 mA。
• 负载电阻趋于无穷大（开路）时的电压称为开路电压，记为 $U_{oc}$，单位为 V。

光照特性：短路电流线性、开路电压非线性

光电池的光照特性描述光电流、光生电动势与光照强度（照度 $E$，单位 lx）之间的关系。

• 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系。
• 开路电压与光照强度的关系是非线性的，随照度升高先较快上升，随后趋于饱和。

因此，把光电池作为测量元件时，应使其接近短路工作状态，利用短路电流与光照强度之间的线性关系，即把它当作电流源使用，而不能当作电压源使用。

负载电阻对线性关系的影响

实际负载电阻 $R_L$ 不可能为零，负载电流与照度的线性关系随 $R_L$ 变化：

• 负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，线性范围也越宽。
• 负载电阻越大，线性关系越差，线性范围越窄。
• 对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内使光电流与照度保持线性关系。

所以选用光电池时，负载电阻的大小应根据具体光照情况来确定：照度范围宽、要求线性好时取较小负载；照度较低、信号较弱时可适当增大负载以取得可用的输出电压。

工作方式选择的判断依据

综合上述关系，判断光电池读出工作方式的依据为：

1. 明确测量任务是测光照强度还是仅判断有无光照；测强度要求线性，应走电流读出路线。
2. 依据负载电阻与光电池内阻的相对大小：负载相对内阻越小，越接近短路状态，线性越好。
3. 依据所需照度范围：范围宽时选小负载以保持线性；范围窄、照度低时可适当放宽。
4. 依据后续电路形式：电流读出需用低输入阻抗（近似短路）的电流检测电路，如运放构成的电流-电压转换电路；若直接取开路电压，则因开路电压与照度呈非线性关系，只适合做阈值判断而不适合直接按线性关系定量测量；若取小负载电阻上的电压，因该电压等于负载电流与负载电阻之积，而负载电流在相应照度范围内与照度保持线性，故可定量测量。

适用范围与注意

• 上述线性结论适用于硅、硒等半导体光电池在正常照度范围内的情形；开路电压随光电流近似按对数规律增加，其趋于饱和所对应的照度与器件、工艺及使用条件有关，约 2000 lx 趋于饱和只是特定器件或课件条件下的结果，并非硅、硒光电池的通用固定门限。
• 光电池的PN结面积大、极间电容大，频率特性较差，作测量元件时通常配合调制光使用。
• 温度会影响开路电压和短路电流，作测量元件时应保持温度恒定或采取温度补偿。