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单体电池是电池阵列的最小单元，经过串并联可达到用户需要的电池阵列结构。单体电池的选择主要以短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率5个基本参数为依据，进而组合成所需的电池阵列。本节主要学习单体电池的参数特性。
光伏电池组件是把多个单体的光伏电池片，根据需要串并联起来，并通过专用材料和专门的生产工艺进行封装后形成的产品。单体电池特点如下。
1）单体光伏电池机械强度差，厚度只有2μm左右，薄而易碎。
2）单体电池易腐蚀，若直接暴露在大气中，电池的转换效率会受到潮湿、灰尘、酸碱物质、冰雹、风沙以及氧气等的影响而下降，电池的电极也会被氧化、锈蚀脱落甚至会导致电池失效。
3）单体光伏电池的输出电压、电流和功率都很小，工作电压只有0.48~0.5V，由于受硅片材料尺寸的限制，单体光伏电池片输出功率最大也只有3~4W，远不能满足实际应用的需求。
当将电池的正负极短路，使电池输出电压为零，此时的电流就是单体光伏电池的短路电流，短路电流的单位是A（安），短路电流随着光的强度的变化而变化。
当将光伏电池的正负极不接负载，即 I =0时，此时光伏电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是V（伏）。单体光伏电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5~0.7V。
峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指单体光伏电池输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A（安）。
峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指单体光伏电池输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V（伏）。单体光伏电池峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45~0.5V，典型值为0.48V。
峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指光伏电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：
P m = I m U m
峰值功率的单位是W（瓦）。光伏电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此光伏电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度1kW/m 2 、光谱AM1.5、测试温度25℃。
填充因子也叫曲线因子，是指光伏电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值，计算公式为
填充因子是用来评价光伏电池输出特性的。
注：上述参数的测量条件都为标准光照下所获得。
光伏单体电池是光伏电池阵列的组成单元，光伏发电最大功率跟踪是光伏发电系统应用的关键问题，如何获取光伏电池阵列的最大功率，就必须对单体电池的输出特性进行认识和理解。
光生少数载流子在内建电场驱动下定向地运动，在PN结内部产生了N区指向P区的光生电流 I L ，光生电动势等价于加载在PN结上的正向电压，它使得PN结势垒高度降低。开路情况下光生电流与正向电流相等时，PN结处于稳态，两端具有稳定的电势差 U oc ，这就是光伏电池的开路电压 U oc 。如图2-16所示，在闭路情况下，光照作用会有电流流过PN结，显然PN结相当于一个电源。
图2-16 光伏电池等效电路图
I PH 为光伏电池内部的光生电流，与光伏电池辐照强度、受光面积成正比。 I D 为光伏电池内部暗电流，其反映光伏电池自身流过PN结的单向电流； I L 为光伏电池输出流过负载的电流； I SH 为PN结的漏电流； R SH 为光伏电池内部的等效旁路电阻，其值较大，一般可达几千欧姆； R S 为光伏电池内部等效串联电阻，其值一般较小，小于1Ω； U L 为负载两端电压。
光电流 I L 在负载上产生电压降，这个电压降可以使PN结正偏。从图2-16可知，其中流过负载的电流：
式中， I O 为光伏电池内部等效二极管的PN结反向饱和电流，近似常数，不受光照强度影响； I sc 为光伏电池内部的短路电流。从前可知， R SH 阻值较大且 R S 的电阻较小，所以上式可以变换为：
I L = I PH -I D -I SH ≈ I PH -I D
所以光伏电池输出功率可表示为：
式中， q 为电子电荷， q =1.6×10 -19 C； K 为波尔兹曼常数， K =1.38×10 -23 J/K； A 为光伏电池内部 PN结的曲线常数。
开路电压 U oc 和短路电流 I sc 是光伏电池的两个重要参数。这两个参数通过稳定光照下光伏电池 I-U 特性曲线与电流、电压轴的截距得到。随着光照强度的增大，光伏电池的短路电流和开路电压都会增大，但是变化的规律不同。短路电流 I sc 与光照强度成正比，开路电压 U oc 随着光照强度呈对数式增大。此外，从光伏电池的工作原理考虑，开路电压 U oc 不会随着光照强度增大而无限增大，它的最大值是使得PN结势垒为0时的电压值。换句话说光伏电池的最大光生电压为PN结的势垒高度 U D ，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。
光伏电池本质上是一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此研究光伏电池的效率是非常必要的。根据热力学原理，任何能量的转化过程都存在效率问题，实际的能量转化过程效率不可能是100%的。就光伏电池而言，需要知道转化效率和哪些因素有关，从而提高光伏电池的效率，最终满足生产生活的要求。光伏电池的转换效率 η 定义为：输出电能 P m 和入射光能 P in 的比值，公式如下所示：
其中，
I
m
U
m
在
I-U
关系中构成一个矩形，叫作最大功率矩形。图2-17所示的光特性
I-U
曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压。最大功率矩形取值点
P
m
的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是
I-U
曲线上坐标相乘的最大值点。短路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为
I
sc
U
oc
，定义
为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了光伏电池可实现功率的度量，占空系数一般在0.7~0.8之间。
图2-17 光特性的 I-U 曲线
光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，光伏电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面时，每一光子平均所能收集到的载流子数。光伏电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为光伏电池的绝对光谱响应。如果每一波长以等量的辐射光能或等光子数入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该光伏电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高、越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。
从光伏电池的应用角度来说，光伏电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高光伏电池的光电转换效率。例如，有的光伏电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的光伏电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起光伏电池输出的变动。
除了光伏电池的光谱特性外，温度特性也是光伏电池的一个重要特征。对于大部分光伏电池，随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减少，转换效率降低。图2-18为不同温度时非晶硅光伏电池片的输出特性。
图2-18 不同温度时非晶硅光伏电池片的输出特性
a） I-U 特性曲线 b） P-U 特性曲线
表2-1给出了单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池输出特性的温度系数（温度变化1℃对应参数的变化率，单位为%/℃）测定的一次实验结果。可以看出，随着温度变化开路电压变小，短路电流略微增大，导致转换效率变低。单晶硅与多晶硅转换效率的温度系数几乎相同，而非晶硅因为它的间隙大而导致它的温度系数较低。
表2-1 单晶硅、多晶硅与非晶硅光伏电池随温度变化的变化率
注：表中的数值表示温度变化1℃的变化率/（%/℃）。
在光伏电池实际应用时必须考虑它的输出特性受温度的影响，特别是室外的光伏电池，由于阳光的作用，太阳能电池在使用过程中温度变化会比较大，因此温度系数是室外使用光伏电池时需要考虑的一个重要参数。