太陽能電池——大學(xué)物理實驗.

1、太陽能電池特性的測量能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題，新能源利用迫在眉睫。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽電池可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴大，太陽能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3 種太陽能電池的特性。實驗?zāi)康? 學(xué)習(xí)太陽能電池的發(fā)電的

2、原理2 了解太陽電池測量原理3 對太陽電池特性進行測量實驗原理太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時 的光伏效應(yīng)發(fā)電， 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一N個 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，幾乎沒勢壘電場方向空間電荷區(qū)有 自由電子。 N 型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電P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， N 區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P 區(qū)擴散， P圖 1半導(dǎo)體 P-N 結(jié)示意圖區(qū) 的空穴（帶正電）向 N 區(qū)擴散，在P-N 結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達(dá)到平衡，使流過

3、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，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向 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，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖 2 實線所示。輸出電流 IPmax負(fù)載電阻為零時測得的最大電流I SC

4、 稱為短路電（輸出功率）流。I SC負(fù)載斷開時測得的最大電壓V OC 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，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 點劃線所V OC輸出電壓 V示。太陽能電池的輸出特性圖 2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：IPmax1000W/m 2（ 1）800W/m 2F FVocI sc600W/m2填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其400W/m 2值越大， 電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池F

5、F200W/m 2值在 0.750.8之間。V轉(zhuǎn)換效率s 定義為：圖 3不同光照條件下的I-V 曲線s( % )Pm a x 1 0 0%（ 2）PinPin 為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實驗表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時只略微增加，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。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7% ，規(guī)模生產(chǎn)時的效率可達(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。但由于單晶硅價格高，大幅度降低其成本很困難，為

6、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，其實驗室最高轉(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。實驗儀器太陽能電池實驗裝置如圖4 所示。圖 4太陽能電池實驗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，具體數(shù)值由光強探

7、頭測量。測試儀為實驗提供電源，同時可以測量并顯示電流、電壓、以及光強的數(shù)值。電壓源：可以輸出0 8V 連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電壓 / 光強表：通過“測量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強輸入” 接口的光強探頭測量到的光強數(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“光強量程” ，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測量并顯示0200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。實驗內(nèi)容與步驟1硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時，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)是一個大

8、面積平面P-N 結(jié)，單個太陽能電池單元的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)及組成組件時的串并連關(guān)系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅,多晶硅， 非晶硅太陽能電池組件在無光照時的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖 5 所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至 50 后串連進電路起保護作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流。圖 5伏

9、安特性測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0.3V 記一次電流值。記錄到表1 中。將電壓輸入調(diào)到0V 。然后將“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壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1 中。表 13 種太陽能電池的暗伏安特性測量電流 (mA)電壓（ V）單晶硅多晶硅非晶硅-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33.63.9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。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同。2開路電壓，短路電流與光強關(guān)系

10、測量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5 分鐘。打開遮光罩。將光強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試儀的強輸入”接口上。測試儀設(shè)置為“光強測量”。 由近及遠(yuǎn)移動滑動支架，測量距光源一定距離的光強I ，將測量到的光強記入表2?！肮鈭D 6開路電壓、短路電流與光強關(guān)系測量示意圖將光強探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖6A接線 ，按測量光強時的距離值（光強已知），記錄開路電壓值于表2 中。按圖 6B 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)測量步驟，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電池，重復(fù)測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表

11、 2 3種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關(guān)系距 離（）101520253035404550光強2I （W/m）開路電壓VOC（ V）單晶硅短路電流ISC（mA）開路電壓VOC（ V）多晶硅短路電流ISC（mA）開路電壓VOC（ V）非晶硅短路電流ISC（mA）根據(jù)表 2 數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強變化的關(guān)系曲線。根據(jù)表 2 數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強變化的關(guān)系曲線。3太陽能電池輸出特性實驗圖 7測量太陽能電池輸出特性按圖 7 接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強度下（將滑動支架固定在導(dǎo)軌上某一個位置），分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電

12、阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓 V 和電流 I, 并計算輸出功率 PO=V×I ，填于表 3 中。表 3 3 種太陽能電池輸出特性實驗光強 I=W/m2輸出電壓 V(V)00.20.40.60.811.21.41.6單晶硅輸出電流 I(A)輸出功率 PO(W)輸出電壓 V(V)00.20.40.60.811.21.41.6多晶硅輸出電流 I(A)輸出功率 PO(W)輸出電壓 V(V)00.20.40.60.811.21.41.6非晶硅輸出電流 I(A)輸出功率 PO(W)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。找出最大功率點，對應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載。由（ 1）式計算填充因子。由（ 2）式計算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=I ×S1，I 為入射到太陽能電池板表