太陽電池回路部品としての動作

回路部品としての動作
太陽電池の等価回路
太陽電池の等価回路

太陽電池の等価回路は左図のようになる。最も単純なモデルでは抵抗成分を無視して、電流源Iph と（理想ダイオードではない）ダイオードのみで表される。抵抗成分を無視した太陽電池の暗電流は、Io を逆方向飽和電流、qを電気素量、Vを電圧、nを理想ダイオード因子、kをボルツマン定数、Tを温度として

I = - I_o \Big\{ \exp \Big( \frac{qV}{nkT} \Big) - 1 \Big\}

のように表される。ここで n=1 としたものがpn接合の理想I-V特性である。

実際の素子を近似するには、直列抵抗(series resistance)Rs と並列抵抗(shunt resistance)Rsh 成分も考慮する。直列抵抗成分は素子各部を電流が流れる時の抵抗成分であり、これが低いほど性能が良くなる。並列抵抗はpn接合周辺における漏れ（リーク）電流などによって生じ、これが高いほど性能が良い。抵抗成分を含めた太陽電池の光照射時の電流-電圧特性は次のように表される。

I = I_{ph} - I_o \Bigg[ \exp \Bigg\{ \frac{q(V+R_sI)}{nkT} \Bigg\} -1 \Bigg] - \frac{V+R_sI}{R_{sh}}

太陽電池の電圧-電流特性
太陽電池の電圧-電流特性

太陽電池の電圧-電流特性は右図のようになる。光照射時に於いて、端子を開放した時の出力電圧を開放電圧（open circuit voltage Voc）、短絡した時の電流を短絡電流（short-circuit current, Isc）と呼ぶ。またIsc を有効受光面積S で割ったものを短絡電流密度（Jsc）と呼ぶ。最大の出力電力を与える動作点Pmaxを最大出力点（maximum power point, 最適動作点、最適負荷点）と呼ぶ。また FF = \frac{V_{\rm max}\cdot I_{\rm max}}{V_{oc}\cdot I_{sc}} を曲線因子(fill factor)と呼ぶ。 照射光による入力エネルギーを 100mW/cm2（または1000W/m2）で規格化した測定では、公称変換効率は

\eta _n = V_{oc} \cdot J_{sc} \cdot FF

で与えられる。

太陽電池から効率よく電力を得るには、太陽電池を最大出力点付近で動作させる必要がある。このため大電力用のシステムでは通常、最大電力点追従装置 (Maximum Power Point Tracker, MPPT)を用いて、日射量や負荷にかかわらず、太陽電池側からみた負荷を常に最適に保つように運転が行われる。

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