太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1、太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn). 太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染。太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池四大類(lèi)，其中硅

2、太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)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23%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為 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，但由于單晶硅成本價(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(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)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%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主

3、導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。太陽(yáng)能的利用和太陽(yáng)能電池的特性研究是 21 世紀(jì)的熱門(mén)課題， 許多發(fā)達(dá)國(guó)家正投入大量人力物力對(duì)太陽(yáng)能接收器進(jìn)行研究。我們開(kāi)設(shè)此太陽(yáng)能電池的特性研究實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解太陽(yáng)能電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對(duì)兩種性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性的物理實(shí)驗(yàn)，聯(lián)系科技開(kāi)發(fā)實(shí)際，有一定的新穎性和實(shí)用價(jià)值。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康?】1. 無(wú)光照時(shí)，測(cè)量太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線；2.有光照時(shí)，測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，I對(duì) U 變化關(guān)系，畫(huà)出 IU 曲線圖；并

4、測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流 I SC 、開(kāi)路電壓 U OC 、最大輸出功率Pm ax 及填充因子 FF ；3.測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流I SC 、開(kāi)路電壓U OC 與光照度 L 的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)儀器 】白熾燈源、太陽(yáng)能電池板、光照度計(jì)、電壓表、電流表、滑線變阻器、穩(wěn)壓電源、單刀開(kāi)關(guān)連接導(dǎo)線若干【實(shí)驗(yàn)原理 】太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n 結(jié)上，形成新的空穴 - 電子對(duì)，在 p-n 結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向 p區(qū)，電子由 p區(qū)流向 n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光伏效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。在沒(méi)有光照時(shí) , 可將太陽(yáng)能電池視為一個(gè)二極管, 其正向偏壓 U 與通過(guò)的電流 I

5、的關(guān)系為qUI I 0 enKT1(1)其中 I0是二極管的反向飽和電流, n 是理想二極管參數(shù)Kq為電子的電荷, 理論值為 1。 是玻爾茲曼常量 ,量 , T 為熱力學(xué)溫度。（可令nKTq ）由半導(dǎo)體理論知 , 二極管主要是由如圖所示的能隙為EC EV 的半導(dǎo)體所構(gòu)成。 EC為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶， EV 為半導(dǎo)體價(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，光子被半導(dǎo)體所吸收，并產(chǎn)生電子- 空穴對(duì)。電子 - 空穴對(duì)受到二極管內(nèi)電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。圖 1光伏效應(yīng)示意圖太陽(yáng)能電池的基本技術(shù)參數(shù)除短路電流I SC 和開(kāi)路電壓 U OC 外 , 還有最大輸出功率Pm ax 和填充因子FF

6、 。最大輸出功率 Pm ax 也就是 IU 的最大值。填充因子 FF 定義為FFPmax(2)I SCU OCFF 是代表太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。FF 值越大 , 說(shuō)明太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率越高。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1. 在沒(méi)有光源（全黑）的條件下，測(cè)量單晶硅太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的I U 特性（直流偏壓從 03.0V ）（ 1）連接電路圖。圖 2IU 特性測(cè)量電路I U 關(guān)系數(shù)據(jù)，畫(huà)出 IU 曲線并求出常數(shù)q（ 2）利用測(cè)得的正向偏壓時(shí)nKT 和 I 0 的值。2. 在不加偏壓時(shí)，用白色光照射，測(cè)量多晶硅太陽(yáng)能電池一些特性。注意此時(shí)光源到太陽(yáng)能電池距離保持為 20cm（ 1）連接電路圖

7、。圖 3恒定光源太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)（ 2）測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，I 對(duì) U 變化關(guān)系，畫(huà)出IU 曲線圖。（ 3）求短路電流 I SC 和開(kāi)路電壓 U OC 。（ 4）求太陽(yáng)能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時(shí)負(fù)載電阻。（ 5）計(jì)算填充因子FFPmaxI SCU OC3. 測(cè)量太陽(yáng)能電池的光電效應(yīng)與電光性質(zhì)改變太陽(yáng)能電池到光源的距離，用光照度計(jì)測(cè)量該處的光照度L ，測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到不同光照度 L 時(shí)，相應(yīng)的 ISC和UOC的值。（ 1）設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖，并連接。（ 2）測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到不同光照度L 時(shí)相應(yīng)的 I SC和 U OC 的值。（ 3）描繪 I SC 和與光照度 L 之間的關(guān)系

8、曲線，求I SC 與光照度 L 之間的近似關(guān)系函數(shù)。（ 4）描繪 U OC 和與光照度 L 之間的關(guān)系曲線，求U OC 與光照度 L 之間的近似關(guān)系函數(shù)?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1全暗情況下（太陽(yáng)能電池板倒扣在黑橡膠桌面上）太陽(yáng)能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性測(cè)量：連接電路如圖 2，結(jié)果填入表1。表1太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的IU特性U(V )456789101112131415161718I (mA)用坐標(biāo)紙畫(huà)出太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的IU 特性曲線，并求出常數(shù)和 I 0 的值I (mA)U(V)2. 在不加偏壓時(shí)，把太陽(yáng)能電池板倒扣在投影儀玻璃面上，緊貼投影儀玻璃面，測(cè)量不同負(fù)載時(shí)太陽(yáng)能電池的輸出電流與太陽(yáng)

9、能電池的輸出電壓的關(guān)系。并測(cè)量短路電流I SC 和開(kāi)路電壓 U OC , 計(jì)算最大輸出功率Pm ax 和填充因子FF 。連接電路如圖3，結(jié)果填入表 2。表 2不同負(fù)載時(shí)太陽(yáng)能電池的輸出電流與太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系( )5101520253035404550RU(v)I (mA)P(mW )R()556065707580859095100U(v)I (mA)P(mW )ISC=UOC =Pm ax =FF =畫(huà)出 R-P曲線圖，求出Pmax和對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池r.P( mW )R()3. 測(cè)量多晶硅太陽(yáng)能電池板I SC 和 U OC 與光照度 L 的關(guān)系。表 3 太陽(yáng)能電池板的I SC和UOC

10、 與光照度 L的關(guān)系LO =(lux)（照度計(jì)緊貼投影儀玻璃面）h (lux)05101520253035L(lux)I SC (mA)U OC (V)I SC （ mA）L (lux)U OC （V）L (lux)畫(huà)出 L-Isc 曲線圖及 L-Uoc 曲線圖 .4.把多晶硅太陽(yáng)能電池板換成單晶硅太陽(yáng)能電池板，重復(fù)3?！緦?shí)驗(yàn)報(bào)告要求】1. 寫(xiě)明本實(shí)驗(yàn)的目的、意義。2. 闡明本實(shí)驗(yàn)的基本原理。3. 記下實(shí)驗(yàn)所用儀器和裝置。4. 記錄實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，包括實(shí)驗(yàn)步驟，各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等。5. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、研究和討論。6. 本實(shí)驗(yàn)的總結(jié)、收獲、體會(huì)，也可提出自己新的設(shè)想。7. 對(duì)教學(xué)工作的意見(jiàn)和建議。【 注意事項(xiàng) 】1. 連接電路時(shí)，保持太陽(yáng)能電池?zé)o光照條件。2. 連接電路時(shí)，保持電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。3. 打開(kāi)白幟燈光源時(shí)間盡量要短，注意隨時(shí)關(guān)掉?！?思考題 】1. 太陽(yáng)能電池是由什么材料做成的？它的工作原理？2. 何謂短路電流 ？何謂開(kāi)路電壓 ？何謂填充因子？如何計(jì)算太陽(yáng)能電池的填充因子？3. 如何求得太