實驗20太陽能電池特性的測量

1、實驗20 太陽能電池特性的測量太陽能是一種新能源，對太陽能的充分利用可以解決人類日趨增長的能源需求問題。目前，太陽能的利用主要集中在熱能和發(fā)電兩方面。利用太陽能發(fā)電目前有兩種方法，一是利用熱能產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，二是太陽能電池。太陽能的利用和太陽能電池的特性研究是21世紀的熱門課題。太陽能電池也稱光伏電池，是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件與相配套的裝置組成的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)具有不消耗常規(guī)能源、無轉(zhuǎn)動部件、壽命長、維護簡單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪聲、無污染等優(yōu)點。世界上第一塊實驗用半導(dǎo)體太陽能電池是美國貝爾實驗室于1954年研制的。經(jīng)過50多年的努力，太陽能電池的

2、研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化已取得巨大進步。目前太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已應(yīng)用于許多民用領(lǐng)域，如太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能收音機、太陽能計算機、太陽能鄉(xiāng)村電站等。太陽能是一種清潔的“綠色”能源，因此世界各國十分重視對太陽能電池的研究和利用。【實驗?zāi)康摹?探討太陽能電池的基本特性；2研究無光照時太陽能電池在外加偏壓時的伏安特性；3測量太陽能電池有光照時的輸出特性，并求出它的短路電流、開路電壓、最大輸出功率及填充因子；4測量太陽能電池的短路電流、開路電壓與相對光強的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系?！绢A(yù)備問題】1如何對光具座的同軸等高調(diào)節(jié)？2太陽能電池在使用時正負極能否短路？普通電池在使

3、用時正負極能否短路？3太陽能電池的基本工作原理是什么？4填充因子的物理意義是什么？如何通過實驗方法測量填充因子？圖20-1 太陽能電池結(jié)構(gòu)圖【實驗儀器】太陽能電池特性實驗儀（包括光具座、滑塊、光源、太陽能電池、遮光板、光功率計、直流穩(wěn)壓電源、遮光罩、單刀雙擲開關(guān)等）、萬用表、電阻箱?！緦嶒炘怼?太陽能電池的結(jié)構(gòu)以晶體硅太陽能電池為例，它以P型硅半導(dǎo)體材料作為基質(zhì)材料，通過在表面的N型雜質(zhì)擴散而形成PN結(jié)，N型半導(dǎo)體為受光面，為了減少光的反射損失，一般在整個表面覆蓋一層減反射膜，在N型層上整理金屬柵線作為正面接觸電極，在整個背面也整理金屬膜作為背面歐姆接觸電極，這樣就形成了晶體硅太陽能電池，如

4、圖20-1所示。2太陽能電池的基本工作原理太陽能電池的發(fā)電過程可概括成如下四點：（1）收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。（2）太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出光生載流子電子-空穴對。（3）這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子-空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢（，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)）。（4）在太陽能電池PN結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負載，則在外電路中有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把光能直接轉(zhuǎn)換成了電能。下面以單晶硅太陽能電池為例進行具體闡述。照到太陽能電池上的

5、光線，一部分被太陽能電池上表面反射掉，另一部分被太陽能電池吸收，還有少量透過太陽能電池。在被太陽能電池吸收的光子中，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，在P區(qū)、N區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會產(chǎn)生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。那些在結(jié)附近N區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴散。只要少數(shù)載流子離PN結(jié)的距離小于它的擴散長度，總有一定概率擴散到結(jié)界面處。在P區(qū)與N區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)存在一空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負電荷間形成一電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場稱為內(nèi)建電場。這些擴散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場的作用下被拉向N區(qū)。同樣，如果在結(jié)附近P區(qū)中產(chǎn)生

6、的少數(shù)載流子（電子）擴散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速拉向N區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對在內(nèi)建電場的作用下分別移向N區(qū)和P區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在PN結(jié)附近，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使P區(qū)獲得附加正電荷，N區(qū)獲得附加負電荷，這樣在PN結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。如果太陽能電池開路，即負載電阻，則被PN結(jié)分開的全部過剩載流子就會積累在PN結(jié)附近，于是產(chǎn)生了最大光生電動勢。如果太陽能電池短路，即，則所有可到達PN結(jié)的過剩載流子都可以穿過結(jié)，并產(chǎn)生最大可能的電流。如果把太陽能電池接上負載，則被PN結(jié)分開

7、的過剩載流子中就有一部分把能量消耗于降低PN結(jié)勢壘，而剩余部分的光生載流子則用來產(chǎn)生光生電流，這就是太陽能電池的基本工作原理。3太陽能電池的等效電路（1）理想的太陽能電池等效電路理想的太陽能電池等效電路如圖20-2所示。當連接負載的太陽能電池受到光照射時，太陽能電池可視為產(chǎn)生光生電流Iph的恒流源，與之并聯(lián)一個處于正偏置下的二極管。圖20-2 理想的太陽能電池等效電路無光照時太陽能電池的特性可視為一個二極管，二極管的端電壓U與通過電流Id的關(guān)系式為 （20-1）式（20-1）中，Io是反向飽和電流，（q為電子電量，A為二極管曲線因子，T為熱力學(xué)溫度）。因此，流過負載兩端的工作電流為 （20-2

8、）太陽能電池正常運行時，Iph比Io高幾個數(shù)量級，因此式（20-2）中的1可以忽略。（2）實際的太陽能電池等效電路在實際的太陽能電池中，太陽能電池本身還有電阻，一類是由于導(dǎo)體材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴散層橫向電阻以及金屬電極本身的電阻四個部分產(chǎn)生的串聯(lián)電阻Rs，Rs通常小于1 ；另一類是由于電池表面污染、半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流等原因產(chǎn)生的旁路電阻Rsh，一般為幾千歐姆。所以實際的太陽能電池等效電路由一理想電流源、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻Rsh（一般為幾千歐姆）與一個串聯(lián)電阻Rs（通常小于1 ）所組成，如圖20-3所示。（我們實驗不考慮Rsh和

9、Rs的影響，光電池電源的輸出伏安特性表達式為： （20-2），其中為二極管的伏安特性式。）圖20-3 實際的太陽能電池等效電路此外，實際的太陽能電池等效電路還應(yīng)該包含由于PN結(jié)形成的結(jié)電容和其他分布電容，但考慮到太陽能電池是直流設(shè)備，通常沒有交流分量，這些電容的影響也可以忽略不計。圖20-3中，由基爾霍夫定律得 （20-3）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由式（20-1）可得 （20-4）假定和，太陽能電池可簡化為圖20-2所示電路。4太陽能電池的基本技術(shù)參數(shù)（1）短路電流ISC在短路時，由式（20-2）可知，。短路電流即為太陽能電池在端電壓為零時的輸出電流，它與太陽能電池的面積

10、大小有關(guān)，面積越大短路電流越大。（2）開路電壓在開路時，由式（20-2）可知，所以，開路電壓 （20-5）式（20-5）即為在和的情況下，太陽能電池的開路電壓和短路電流的關(guān)系式。（3）最大輸出功率當太陽能電池接上負載時，負載可以從零到無窮大。當負載使太陽能電池的功率輸出為最大時，它對應(yīng)的最大輸出功率 （20-6）式中，和分別為最大工作電流和最大工作電壓。（4）填充因子填充因子是表征太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，定義為太陽能電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，即 （20-7）填充因子取決于入射光強、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。填充因子的值越大，意味著該太陽能

11、電池的最大輸出功率越接近于所能達到的極限輸出功率，說明太陽能電池對光的利用率越高。【實驗內(nèi)容及步驟】1在沒有光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池施加正向偏壓時的伏安特性測量電路如圖20-4所示，改變電阻箱R的阻值，用萬用表測出各種阻值下太陽能電池兩端的電壓U1和電阻箱兩端的電壓U2，自行設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù)，計算出電流并記錄于表格中。圖20-4 測量電路圖（1）畫出太陽能電池正向偏壓時的伏安特性（）曲線圖。（2）畫出太陽能電池正向偏壓時的伏安特性半對數(shù)（）曲線圖，用作圖法或最小二乘法求出和的值。2不加偏壓，在使用遮光罩條件下，保持白光源到太陽能 電池的距離20 cm，測量太陽能電池的一些特性（1）

12、設(shè)計測量電路圖，并連接。（2）測量太陽能電池在不同負載電阻下輸出電流對輸出電壓的變化關(guān)系，畫出曲線圖。（3）根據(jù)曲線圖，用外推法求短路電流和開路電壓。（提示：根據(jù)一組觀測值，計算觀測范圍以外同一對象近似值的方法稱為外推法。）（4）求出太陽能電池在不同負載電阻下的功率P，畫出太陽能電池輸出功率P與負載電阻RL的關(guān)系（P- RL）曲線圖，求出太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時的負載電阻。（5）計算填充因子。3測量太陽能電池的光照特性在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白熾燈光源20 cm水平距離光強作為標準光照強度，用光功率計測量該處的光照強度J0。（1）改變太陽能電池到光源的距離x（），用光功率

13、計測量x處的光照強度J，求光強J與位置x的關(guān)系。（2）太陽能電池接收到相對光強J/J0的不同值時，測量相應(yīng)的短路電流和開路電壓的值（短路電流可以直接用萬用表的直流電流擋量出，開路電壓則直接用萬用表的直流電壓擋量出）。（3）畫出短路電流和與相對光強J/J0之間的關(guān)系曲線，用作圖法或最小二乘法求與相對光強J/J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。（4）畫出開路電壓和與相對光強J/J0之間的關(guān)系曲線，用作圖法或最小二乘法求與相對光強J/J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。（提示：作出開路電壓與相對光強關(guān)系的半對數(shù)（）曲線，再用作圖法或最小二乘法求解關(guān)系函數(shù)。）【注意事項】1連接電路時，保持太陽能電池?zé)o光照條件。2避免太陽光照

14、射太陽能電池。3連接電路時，保持電源開關(guān)斷開。4輻射光源的溫度較高，應(yīng)避免與燈罩接觸，以免燙傷。【思考題】1溫度的變化對太陽能電池帶來什么影響？2設(shè)計電路，利用兩節(jié)干電池、一個電壓表、一個電阻箱來測量太陽能電池在全黑的條件下的伏安特性曲線。3兩個太陽能電池串聯(lián)，測量它們的伏安特性曲線和填充因子。4兩個太陽能電池并聯(lián)，測量它們的伏安特性曲線和填充因子。 【參考文獻】1 楊金煥，于化叢，葛亮太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，20082 楊德仁太陽電池材料北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20063 王長貴，王期成太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)思考題1 掌握太陽能電池的基本原理。（看教材）2 無光源的條件下，太陽能電池施加正向偏壓時的伏安特性？怎樣求常數(shù)和的值？提示：無光照的太陽能電池，施加正向偏壓后可看為一個加了正向偏壓的二極管；可以根據(jù)測量二極管伏安特性方法才測出有關(guān)數(shù)據(jù)作圖，然后將圖線曲改直，求出斜率、截距來計算求出和的值。3 恒定光照下，太陽能電池在不加偏壓時伏安特性？如何求短路電流；開路電壓；最大輸出功率；填充因子FF？（看教材）提示：恒定光照下，太陽能電池在不加偏壓時伏安特性就是太陽能電池的電源輸出特性（不同負載電阻RL下，對變化關(guān)系IU特性和PRL特性），實驗通過測出IU特性圖線和PR圖線，然后將圖線用外推延伸法求出和,從PR圖