太陽能電池基本特性測定實(shí)驗(yàn)

太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽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).太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，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。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23徽規(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%,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在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，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。太陽能的利用和太陽能電池的待性研究是21世紀(jì)的熱門課題，許多發(fā)達(dá)國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進(jìn)行研究。我們開設(shè)此太陽能電池的特性研究實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)了解太陽能電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對兩種性質(zhì)進(jìn)行測量。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)系科技開發(fā)實(shí)際，有一定的新穎性和實(shí)用價(jià)值?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹繜o光照時(shí)，測量太陽能電池的伏安特性曲線；有光照時(shí)，測量電池在不同負(fù)載電阻下，/對〃變化關(guān)系，畫出I-U曲線圖；并測量太陽能電池的短路電流么°、開路電SJg、最大輸出功率Sax及填充因子尸尸；測量太陽能電池的短路電流人。、開路電壓與光照度么的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)儀器】白熾燈源、太陽能電池板、光照度計(jì)、電壓表、電流表、滑線變阻器、穩(wěn)壓電源、單刀開關(guān)連接導(dǎo)線若干受到二極管內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光生電動勢這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。受到二極管內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光生電動勢這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)?！緦?shí)驗(yàn)原理】太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，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)太陽能電池的工作原理。在沒有光照時(shí).可將太陽能電池視為一個(gè)二極管，其正向偏壓〃與通過的電流/的關(guān)系為f竺/=z0嚴(yán)-1其中/()是二極管的反向飽和電流，〃是理想二極管參數(shù)，理論值為1°K是玻爾茲曼常量為電子的電荷量，丁為熱力學(xué)溫度。(可令8二祈)由半導(dǎo)體理論知，二極管主要是由如圖所示的能隙為耳-Ev的半導(dǎo)體所構(gòu)成。Ec為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，并產(chǎn)生電子-空穴對。電子-空穴對為半導(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。電子-空穴對導(dǎo)電帶(Ec)光子7光子7WWW*能隙空穴價(jià)電帶(EJ圖1光伏效應(yīng)示意圖空穴太陽能電池的基本技術(shù)參數(shù)除短路電流/sc和開路電壓Ug外，還有最大輸出功率代和和填充因子FF。最大輸出功率Pn忙也就是/(/的最大值。填充因子FF定義為一7yu眼FF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。FF值越大，說明太陽能電池對光的利用率越高?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1在沒有光源（全黑）的條件下，測量單晶硅太陽能電池正向偏壓時(shí)的I-U特性（直流偏壓從0—3.0U）（1）連接電路圖。圖2I_U特性測量電路（2）利用測得的正向偏壓時(shí)I-U關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出曲線并求出常數(shù)-舄和人的值。在不加偏壓時(shí)，用白色光照射，測量多晶硅太陽能電池一些特性。注意此時(shí)光源到太陽能電池距離保為（1）連接電路圖。恒定光源滑線變阻器圖3恒定光源太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)恒定光源滑線變阻器（2）測量電池在不同負(fù)載電阻下，/對U變化關(guān)系，畫出1-。曲線圖。（3）求短路電流心和開路電壓”比。（4）求太陽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）3計(jì)算填充因子FF二/J:...測■1!量太陽能電池的光電效應(yīng)與電光性質(zhì)改變太陽能電池到光源的距離，用光照度計(jì)測呈該處的光照度乙，測量太陽能電池接受到不同光照度么時(shí)，相應(yīng)的人1和口仇的值。（1）設(shè)計(jì)測量電路圖，并連接。（2）測量太陽能電池接受到不同光照度△時(shí)相應(yīng)的^c和"°C的值。（3）描繪人。和與光照度△之間的關(guān)系曲線，求與光照度△之間的近似關(guān)系函數(shù)。（4）描繪U理和與光照度△之間的關(guān)系曲線，求t/理與光照度△之間的近似關(guān)系函數(shù)。【數(shù)據(jù)記錄及處理】全暗情況下（太陽能電池板倒扣在黑橡膠桌面上）太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性測量：連接電路如圖2,結(jié)果填入表1。表1太陽能電池正向偏壓時(shí)的1-V特性U(V)456789101112131415161718I(mA)用坐標(biāo)紙畫出太陽能電池正向偏壓時(shí)的i-u特性曲線，并求出常數(shù)“和倡的值I(mA)2在不加偏壓時(shí)，把太陽能電池板倒扣在投影儀玻璃面上，緊貼投影儀玻璃面，測量不同負(fù)載時(shí)太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系。并測量短路電流么〔和開路電壓U。一計(jì)算最大輸出功率和填充因子FF。連接電路如圖3,結(jié)果填入表2。

表2不同負(fù)載時(shí)太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系RS5101520253035404550"(v)P(mW)斤(Q)556065707580859095100IM/(mA)P(mW)‘OCpFF二畫出R-P曲線圖，求出Pnuix和對應(yīng)的太陽能電池「3測疑多晶硅太陽能電池板人(和□理與光照度么的關(guān)系。表3太陽能電池板的/肚和”氐與光照度△的關(guān)系Lo二(lux)(照度計(jì)緊貼投影儀玻璃面)h(lux)05101520253035(lux)Isc(M)Uoc(V)(mA)L(lux)叫(V)L(lux)畫出L-Isc曲線圖及L-Uoc曲線圖.4.把多晶硅太陽能電池板換成單晶硅太陽能電池板，重復(fù)3o【實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求】寫明本實(shí)驗(yàn)的目的、意義。闡明本實(shí)驗(yàn)的基本原理。記下實(shí)驗(yàn)所用儀器和裝置。記錄實(shí)驗(yàn)的全過程，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。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、研究和討論。本實(shí)驗(yàn)的總結(jié)、收獲、體會，也可提出自己新的設(shè)想。對教學(xué)工作的意見和建議?！咀⒁馐马?xiàng)】連接電路時(shí)，保持太陽能電池?zé)o光照條件。連接電路時(shí)，保持電源開關(guān)斷開。打開白幟燈光源時(shí)間盡量要短，注意隨時(shí)關(guān)掉?！舅伎碱}】太陽能電池是由什么材料做成的