大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-太陽能電池伏安特性的測量

實(shí)驗(yàn)報告

太陽能電池伏安特性的測量

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解太陽能電池的工作原理及其應(yīng)用2.測量太陽能電池的伏安特性曲線

【實(shí)驗(yàn)原理】1．太陽電池的結(jié)構(gòu)以晶體硅太陽電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示．晶體硅太陽電池以硅半導(dǎo)體材料制成大面積pn結(jié)進(jìn)行工作．一般采用n+/p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，即在約10cm×10cm面積的p型硅片（厚度約500μm）上用擴(kuò)散法制作出一層很?。ê穸葉0.3μm）的經(jīng)過重?fù)诫s的n型層．然后在n型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極．在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極．這樣就形成了晶體硅太陽電池．為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜．

圖一太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖2．光伏效應(yīng)

圖二太陽電池發(fā)電原理示意圖當(dāng)光照射在距太陽電池表面很近的pn結(jié)時，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在p區(qū)、n區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會產(chǎn)生電子–空穴對．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(kuò)散．只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長度，總有一定幾率擴(kuò)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(fù)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(kuò)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p區(qū)．同樣，如果在結(jié)附近p區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速被拉向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，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負(fù)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)（PhotovoltaicEffect,縮寫為PV）．

3．太陽電池的表征參數(shù)太陽電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)．當(dāng)光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Iph．同時，由于pn結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反．因此，實(shí)際獲得的電流I為

（1）式中VD為結(jié)電壓，I0為二極管的反向飽和電流，Iph為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的．n稱為理想系數(shù)（n值），是表示pn結(jié)特性的參數(shù)，通常在1~2之間．q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為溫度．如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，VD即為太陽電池的端電壓V，則（1）式可寫為

（2）

當(dāng)太陽電池的輸出端短路時，V=0（VD≈0），由（2）式可得到短路電流

即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比．當(dāng)太陽電池的輸出端開路時，I=0，由（2）和（3）式可得到開路電壓

（3）

當(dāng)太陽電池接上負(fù)載R時，所得的負(fù)載伏–安特性曲線如圖2所示．負(fù)載R可以從零到無窮大．當(dāng)負(fù)載Rm使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應(yīng)的最大功率Pm為

（4）

式中Im和Vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓．將Voc與Isc的乘積與最大功率Pm之比定義為填充因子FF，則

（5）

FF為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高．FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等．太陽電池的轉(zhuǎn)換效率η定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能Pin之比，即

（6）

圖三太陽電池的伏–安特性曲線4．太陽電池的等效電路

80cm電壓0.531.492.393.284.244.765.305.595.856.276.596.786.967.117.267.377.768.128.488.6880cm80cm電壓0.531.492.393.284.244.765.305.595.856.276.596.786.967.117.267.377.768.128.488.6880cm串聯(lián)功率112.1102.996.288.482.577.472.970.667.563.961.560.258.957.756.555.352.350.144.639.580cm并聯(lián)電流59.410153.30.43229.91.47289.92.47349.82.94368.43.57386.44.12394.74.77394.95.24400.75.51405.35.69408.25.90410.06.06410.26.49410.26.90407.67.55405.87.91406.88.17378.28.38342.98.56電壓9086.177.268.865.561.357.853.250.048.246.745.243.741.138.032.828.823.718.012.8功率037.02113.4169.9192.6218.8238.1253.8262265.6265.7266.7264.8266.7262.2248.2227.8193.6150.8109.6電流0.301.873.314.776.307.789.3610.811.9512.5713.1613.7014.2015.0015.4315.8316.0416.4316.716.85電壓62.760.759.357.455.453.050.346.243.742.141.140.038.937.135.934.333.431.329.127.0功率18.81113.5196.3273.8349.0412.3470.8499.0522.2529.2540.9548.0552.4556.5553.9543.0535.7514.3486.0455.0電流電壓功率0.70140.898.561.70132.5225.22.67122.9328.13.76112.4422.64.73102.1482.95.4993.6513.95.9788.8530.16.2285.0528.76.5181.8532.56.8779.1543.47.1876.9552.17.3574.9550.57.4473.6547.67.5072.3542.27.5970.7536.67.9265.3517.28.1160.6491.58.3154.4452.18.4350.0421.58.5645.2386.9太陽電池可用pn結(jié)二極管D、恒流源Iph、太陽電池的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當(dāng)于pn結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻Rsh組成的電路來表示，如圖3所示，該電路為太陽電池的等效電路．由等效電路圖可以得出太陽電池兩端的電流和電壓的關(guān)系為

（7）為了使太陽電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh．

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算】

◆實(shí)驗(yàn)中測得的各個條件下的電流、電壓以及對應(yīng)的功率的表格如下：60cm電流1234567891011121314151617181920

8.839.069.279.409.6818.699.3634.825.515.48.5000307.3231.0142.879.90008.738.9917.5217.6817.769.227.90020.117.38.839.069.279.409.6818.699.3634.825.515.48.5000307.3231.0142.879.90008.738.9917.5217.6817.769.227.90020.117.316.18.368.970352.2305.9285.976.5317.0117.328.899.029.1525.222.730.322.314.7428.7393.2269.4201.1134.58.708.7939.934.9347.1306.8222324252627282930表1

1.根據(jù)以上數(shù)據(jù)作出各個條件下太陽能電池的伏安特性曲線

2.各個條件下，光伏組件的輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化

【對實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的現(xiàn)象或問題進(jìn)行分析、討論】

◆各個條件下太陽能電池的伏安特性曲線圖的分析與討論從圖中的曲線可以明顯看出：1.光照距離越近，也即是光強(qiáng)越大，電池產(chǎn)生的電動勢越大（但不能斷定是否有上界）；2.研究電動勢的大小，兩個電池并聯(lián)，電動勢幾乎不變，電池串聯(lián)，電動勢大致增大一倍；3.研究電池電阻的大小，在I-V圖里，函數(shù)線越陡，電阻越小，函數(shù)線越平坦，電阻越大。在圖中可以看出：串聯(lián)電池使得電池的總電阻倍增，而并聯(lián)使得電池的總電阻減小；光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越?。ǖ珣?yīng)有下界），光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越大。4.研究電池的短路電流（這里以圖中的各個最大電流作為短路電流），電池的并聯(lián)使得短路電流增大，串聯(lián)使得短路電流減?。ㄟ@是由于內(nèi)阻串并聯(lián)的原因）；光照強(qiáng)度越大，短路電流越大，光照強(qiáng)度越小，短路電流越?。◤奶柲茈姵氐脑砜芍汗庹諒?qiáng)度決定了光生電流的大小，從而決定了短路電流和電動勢的大?。?。

◆各個條件下輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化曲線圖的分析與討論1.雖然各個曲線不是特別平滑，但對于最大輸出功率的測量還是很成功的，因?yàn)樵诿織l曲線的最高點(diǎn)附近所測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)都足夠多，這樣對最大功率的估計的準(zhǔn)確度有很好的幫助。2.研究個條件下的最大功率的大小，可以看出：雙電池供電（不論是串聯(lián)還

??????/V9.688.9918.699.36????/mW410.2266.7556.5??????/V9.688.9918.699.36????/mW410.2266.7556.5552.1????/mA57.745.237.176.9????/v7.115.9015.07.18????/歐123.2130.5404.393.4FF0.3780.3450.4750.419照強(qiáng)度越小，輸出功率也越小。3.研究達(dá)到最大功率時的電壓????，從圖中可以看出：光照強(qiáng)度越大，????也就越大，光照強(qiáng)度越小，????相對偏??；電池并聯(lián)對????的改變不大，而電池串聯(lián)會明顯加大????（個人認(rèn)為這跟電池電阻在總電路中的比重有關(guān)）。

◆各個量的統(tǒng)計

??????/mA60cm112.180cm86.180cm串聯(lián)62.780cm并聯(lián)140.8

說明：1.由于本組成員在做實(shí)驗(yàn)時的疏忽，并未直接測量各個條件下的短路電流，在這里以測量電壓最小時的電流作為短路電流；2.由于這里的短路電流是測量電壓最小時的電流，所以由函數(shù)特性可知，真正的短路電流比這里的??????要大，由此使得最終的FF值比理論值偏大；

分析：1.從測得的FF數(shù)據(jù)可以看出，太陽能電池的填充因子并不大，這也使得太陽能電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率比較低，所以提高FF是太陽能電池研發(fā)的一個重要方向；2.從????的比較可以看出，光照越強(qiáng)，則????偏小，但應(yīng)該有一個下界，串聯(lián)使得????大大增大，而并聯(lián)使得????有所減??；3.關(guān)于????和????的比較已在前面做出了分析。

【附頁】1.可以看出，我在實(shí)驗(yàn)原理的這一部分基本copy了網(wǎng)上的預(yù)習(xí)資料，此部分實(shí)際上并非自己的東西（對于其他同學(xué)也不是），于是我特意將實(shí)驗(yàn)原理的部分的字體縮小，以減小實(shí)驗(yàn)的篇幅，并將重點(diǎn)放在了原理后面的各個部分。2.《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》在本實(shí)驗(yàn)部分里并未設(shè)置思考題（其他的實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了），我覺得一個實(shí)驗(yàn)如果僅僅是做了而不去深入思考，那僅僅是練手而已，幾乎等于白做。所以在這里給出一些自己對該實(shí)驗(yàn)的一些思考?！髟趯?shí)際測量電流和電壓的數(shù)據(jù)點(diǎn)時，如何把握在Pm附近點(diǎn)的測量？這是一個十分實(shí)際的問題，它直接關(guān)系到最后Pm的值，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測量得比較少（比如只有一兩個點(diǎn)），那么對Pm的估計會有很大的誤差；相反，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測得比較多，使得P-U曲線的頂峰上有比較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么對Pm的估計是十分準(zhǔn)確的。于是，我們應(yīng)該在測量數(shù)據(jù)接近Pm點(diǎn)時意識到應(yīng)該在該區(qū)域加密數(shù)據(jù)的測量。那么如何判斷Pm會出現(xiàn)在哪個區(qū)域呢？在正式測量開始之前先對測量范圍內(nèi)的幾個U、I點(diǎn)進(jìn)行測量，由此可由二分逼近法得到一個Pm的大概區(qū)域，這個區(qū)域一般在1V到2V寬比較適合。接下來測量數(shù)據(jù)時，當(dāng)測量點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域時，根據(jù)實(shí)際情況縮小測量間隔，在該區(qū)域

里多測幾組數(shù)據(jù)，出了該區(qū)域之后再加寬測量間距?！麝P(guān)于萬用表示數(shù)顯示問題該實(shí)驗(yàn)中的萬用表在測量數(shù)據(jù)時，最后以為總是跳躍不停，究其原因，我認(rèn)為不是萬用表自己的問題，而是太陽能電池本身產(chǎn)生的電流不是絕對穩(wěn)定所造成的。對于不斷跳躍的尾數(shù)，老師建議的方法是：同時按下電流表和電壓表的hold鍵，記下對應(yīng)的兩個數(shù)?？梢灾?，萬用表的尾數(shù)的跳躍范圍在3到5左右，也就是說瞬間前后的按下hold鍵所測得的數(shù)據(jù)可能相差了0.05V或0.5mA，所以在實(shí)際測量數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔至少應(yīng)該是0.1V或0.5mA，否則測量的數(shù)據(jù)是沒有意義的。其實(shí)實(shí)際上如果測量數(shù)據(jù)的間距真有如此小，那在Origin上的兩點(diǎn)也幾乎完全重合。

【感想】

先來說說自己在做這個實(shí)驗(yàn)時的情況吧。我不敢說我做實(shí)驗(yàn)是不是有一種什么狀態(tài)在影響我（想運(yùn)動員的狀態(tài)起伏一樣），但今天的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)真的不是很好。自己到了實(shí)驗(yàn)室才發(fā)現(xiàn)自己精心做的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告丟在了寢室，不得不出去再打印一份。在老師講解實(shí)驗(yàn)的各個細(xì)節(jié)時，我承認(rèn)自己也沒有專心聽講