付志海12141030太陽能電池研究性報(bào)告

1、 太陽能電池特性測(cè)量實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告太陽能電池特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)12141030 付志海 20 / 19目錄摘要4一實(shí)驗(yàn)要求5二實(shí)驗(yàn)原理5三實(shí)驗(yàn)儀器介紹6四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容8五、數(shù)據(jù)處理115.1硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量135.1.1單晶硅145.1.2多晶硅145.1.3非晶硅145.2開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量145.2.1單晶硅145.2.2多晶硅145.2.3非晶硅145.3太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)145.3.1單晶硅145.3.2多晶硅145.3.3非晶硅14六、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與改進(jìn)建議摘要本文以“太陽能電池特性測(cè)量”為主要內(nèi)容，先介紹了太陽能電池的發(fā)展背景，然后介紹了實(shí)驗(yàn)的基本原

2、理與過程，而后進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并對(duì)試驗(yàn)中可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，介紹了實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并提出實(shí)驗(yàn)細(xì)則改進(jìn)方案。關(guān)鍵詞：太陽能電池 輸出特性 暗伏安特性一、實(shí)驗(yàn)要求1 太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量2 測(cè)量太陽能電池的開路電壓和光強(qiáng)之間的關(guān)系3 測(cè)量太陽能電池的短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系4 太陽能電池的輸出特性測(cè)量二、實(shí)驗(yàn)原理1、太陽能電池太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（

3、帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池

4、負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流。負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱為開路電壓。太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為： （1）填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.750.8之間。轉(zhuǎn)換效率s定義為： （2）Pin為入射到

5、太陽能電池表面的光功率。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長(zhǎng)，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%

6、,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。三、儀器介紹太陽能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，電源面板如圖8所示。圖7 太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源：可以輸出08V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測(cè)量

7、提供電壓。電壓/光強(qiáng)表：通過“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光強(qiáng)量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測(cè)量并顯示0200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。太陽能電池應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，由太陽能電池組件，實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀3部分組成。各部件的基本參數(shù)如下：太陽能電池 單晶硅太陽能電池，標(biāo)稱電壓12V，標(biāo)稱功率2W光源 100W碘鎢燈，為保證太陽能電池不因過熱損壞，使用時(shí)調(diào)節(jié)至離太陽能電池最遠(yuǎn)負(fù)載組件 01K，2W直流風(fēng)扇 12V，1WLED燈

8、直流15V，0.4WDC-DC 升降壓DC-DC，輸入535V，輸出1.517V，1A超級(jí)電容 2.3F，11V蓄電池 12V，1.3AH（安時(shí)）逆變器 DC12VAC220V，75W交流負(fù)載 節(jié)能燈，5W圖8 太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀圖9 太陽能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）太陽能電池基本特性測(cè)量1硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池

9、組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求分別測(cè)試并畫出單晶硅, 多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測(cè)試原理圖如圖10所示。將待測(cè)的太陽能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。 圖10 伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。然后再次將電壓輸入調(diào)到0V，將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電

10、壓，逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)。2開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將光強(qiáng)探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測(cè)試儀的“光強(qiáng)輸入”接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測(cè)量”。 由近及遠(yuǎn)（從10cm到50cm）移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離（每隔5cm）的光強(qiáng)I。將光強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖11A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知），記錄開路電壓值。按圖11B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)上述測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能

11、電池，重復(fù)上述測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。3太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 按圖12接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置），分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V（按照每隔0.2V的間隔）和電流I。若時(shí)間允許，可改變光照強(qiáng)度（改變滑動(dòng)支架的位置），重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)。4、注意事項(xiàng)在預(yù)熱光源的時(shí)候，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實(shí)驗(yàn)誤差；光源工作及關(guān)閉后的約1小時(shí)期間，燈罩表面的溫度都很高，請(qǐng)不要觸摸；可變負(fù)載只能適用于本實(shí)驗(yàn)，否則可能燒壞可變負(fù)載；220V電源需可靠接地。五、數(shù)據(jù)處理太陽能電池

12、板面積50*50 mm2一硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。1. 原始數(shù)據(jù)二開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線；畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。1. 原始數(shù)據(jù) 三太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。在實(shí)驗(yàn)的光照條件下，找出最大功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載。最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓和電流是多少？ 由（1）式計(jì)算填充因子。由（2）式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=IS1，I為入射到太陽能

13、電池板表面的光強(qiáng)，S1為太陽能電池板面積。1. 原始數(shù)據(jù)距離為20cm，光強(qiáng)I=478W/m2Pin=IS=478*0.050*0.050*1000 mW=1195mW數(shù)據(jù)處理（1）單晶硅 單晶硅最大輸出功率為96.87mW,此時(shí)I=43.25mA，U=2.24V，最佳匹配電阻為51.79FF=96.87/(2.69*47.1)=0.7646 效率=96.87/1195=8.106 多晶硅最大輸出功率為54.57mW,此時(shí)I=23.9mA，U=2.28V，最佳匹配電阻為95.53FF=54.57/(2.61*42.6)=0.4908 效率=54.57/1195=4.567 非晶硅最大輸出功率為11.34mW,此時(shí)I=5.3mA，U=2.24V，最佳匹配電阻為422.64FF=11.34/(2.84*7.7)=0.5186 效率=11.34/1195=0.949六、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與改進(jìn)建議通過遮擋實(shí)驗(yàn)做出的簡(jiǎn)單假設(shè)設(shè)計(jì)提高太陽能電池的沖淡效率，有實(shí)驗(yàn)可以的得出影響太陽能電池的主要因素有：制造太陽能電池本身材料，這將決定電池的根本屬性，其次電池硅片的排列，DC-AC充電方式，光強(qiáng)都會(huì)對(duì)充電時(shí)間產(chǎn)生較大的影響，我們可以增強(qiáng)單位面積上的光強(qiáng)，在太陽能電池前面加如一塊凸透鏡，匯聚大面積的光強(qiáng)，同時(shí)不能使