2023年半導(dǎo)體物理實驗七-太陽能電池

太陽能電池電參數(shù)測量試驗指導(dǎo)一、試驗?zāi)康?、了解太陽能電池的根本構(gòu)造和工作原理；2、把握太陽能電池根本特性參數(shù)測試原理與方法；3、通過分析太陽能電池根本特性參數(shù)測試數(shù)據(jù)，進一步生疏試驗數(shù)據(jù)分析與處理的方法，理解試驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間不完全全都的緣由；二、試驗原理1、光生伏特效應(yīng)pn1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種通性。當光照耀1Sipn結(jié)太陽能電池構(gòu)造示意圖到一塊非均勻半導(dǎo)體上時，由于內(nèi)建電場的作用，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會產(chǎn)生電動勢。假設(shè)構(gòu)成適當?shù)幕芈肪蜁a(chǎn)生電流。這種電流叫做光生電流，這種內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。非均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的一個例子。N型半導(dǎo)體材料和ppn結(jié)。pn結(jié)依據(jù)制備方法、雜質(zhì)在體內(nèi)分布特征等有不同的分類。制備方法有合金法、集中法、生長法、離子注入法等等。雜質(zhì)分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備方法相聯(lián)系的。不同的制備方法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。pn結(jié)構(gòu)造由pn區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成。為了維持統(tǒng)一的費米能級，p區(qū)內(nèi)空穴向n區(qū)集中，n區(qū)內(nèi)空p區(qū)集中。這種載流子的運動導(dǎo)致原來的電中性條件被破壞，p區(qū)積存了帶有負電n區(qū)帶正電，在界面四周區(qū)域形成由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場和相應(yīng)的空間電荷區(qū)。顯10相等，p區(qū)和nqVpn結(jié)模型下，處于熱平衡的Dpn結(jié)空間電荷區(qū)沒有載流子，也沒有載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用。2pnpn結(jié)結(jié)深比較淺，入射光子會透pn結(jié)區(qū)域甚至能深入半導(dǎo)體內(nèi)部。假設(shè)如何光子能量滿足關(guān)系hE〔E為半導(dǎo)g g體材料的禁帶寬度〕，那么這些光子會被材料本征吸取，在pn結(jié)中產(chǎn)生電子孔穴對。pn區(qū)電子這樣的多數(shù)載流子的濃度影響是很小的，可以無視不計。但是對少p區(qū)電子和n電子空穴對，它們很快又會通過各種復(fù)合機制復(fù)合。在pn結(jié)中狀況有所不同，主要緣由是存在內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的驅(qū)動下p區(qū)光生少子電子向n區(qū)運動，n區(qū)光生少子空pnp區(qū)，與內(nèi)建電場方向全都；其次，光生少子的定向運動與集中運動方向相反，減弱了集中運動的強度，pn結(jié)勢壘高度降低，甚至?xí)耆拧：暧^的效果是在pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢，也就是光生電動勢。pnpn結(jié)勢壘高度降低甚至消逝，這個作用完全等價于在pn結(jié)兩端施加正向電壓。這種狀況下的pn結(jié)就是一個光電池。開路下pn結(jié)兩端的電壓叫做開路電壓V 閉路下這種pn結(jié)等價于一個電源對應(yīng)的電流I 為oc sc閉路電流。光生伏特效應(yīng)是太陽能電池的核心原理，它的機制就是光能轉(zhuǎn)化為電能，開2中E為半導(dǎo)體電帶，E為半導(dǎo)體價電帶。C V2、太陽能電池無光照狀況下的電流電壓關(guān)系－〔暗特性〕太陽能電池是依據(jù)光生伏特效應(yīng)把太陽能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。假設(shè)pn結(jié)。通常把無光照狀況下太陽能電池的電流電壓特性叫做暗特性。簡潔的處理方式是把無光照狀況下的太陽能電池等價于一個抱負pn結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊方程：Is

s

eDnn p0Ln

s kT0eD pp n0為反向飽和電流。A、D、n、p和L分別為結(jié)Lp面積、集中系數(shù)、平衡電子濃度、平衡空穴濃度和集中長度。依據(jù)肖克萊方程不難覺察正向、反向電壓下，暗條件太陽能電池IV曲線不對稱，這pn結(jié)的單向?qū)ㄐ曰蛘哒f整流特性。對于確定的太陽能電池，其摻雜雜質(zhì)種類、摻雜計量、器件構(gòu)造都是確定的，對電流電壓特性具有影響的因素是溫度。溫度對半導(dǎo)圖3太陽能電池等效電 體器件的影響是這類器件的通性。依據(jù)半導(dǎo)體物理原理，溫度對集中系數(shù)、集中長度、載流子濃度都有影響，綜合考慮，反向飽和電流為：ED n2 3EJ e(s

n)1/2 i Nn A

2exp( g)kT0E由此可見隨著溫度上升，反向飽和電流隨著指數(shù)因子exp(越寬的半導(dǎo)體材料，這種變化越猛烈。

g快速增大。且?guī)秌T0半導(dǎo)體材料禁帶寬度是溫度的函數(shù)Eg

E(0TEg

(0為確定零度時候的帶隙寬度。設(shè)有E(0)eV ，V 是確定零度時導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睢Ｓ纱丝蒰 g0 g0以得到含有溫度參數(shù)的正向電流電壓關(guān)系為：IAJT32exp[

V )g0 ]kT0明顯正向電流在確定外加電壓下也是隨著溫度上升而增大的。3、太陽能電池光照狀況下的電流電壓關(guān)系〔光特性〕PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了np區(qū)的光生電Ipn結(jié)上的正向電壓VPNqVL D－qV。開路狀況下光生電流與正向電流相等時，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢差V ，這就是太陽能電池的開路電壓V。如圖3所示，在閉路狀況下，光照作用下會OC ocpnpn結(jié)相當于一個電源。I在負載上產(chǎn)生電壓降，這個電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3所示，正L偏電壓產(chǎn)生正偏電流I。在反偏狀況下，pn結(jié)電流為FII I I I[exp(eV1)]L F L S kT0隨著二極管正偏，空間電荷區(qū)的電場變?nèi)酰遣恍心茏優(yōu)榱慊蛘叻雌?。光電流總是反向電流，因此太陽能電池的電流總是反向的。依?jù)圖3其一是負載電阻R＝0，這種狀況下加載在負載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路狀L態(tài)，此時間電池輸出電流我們稱為短路電流或者閉路電流I。scI=I =ISC L其二是負載電阻R ，外電路處于開路狀態(tài)。流過負載電阻電流為零，依據(jù)等L效電路圖3，光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓V 就是所謂的開路電壓。oc明顯有4太陽能電池最大功率I0I

eV得到開路電路電壓V 為OC

L S kT0V kT I0 L)OC e ISVoc

和閉路電路Isc

是光電池的兩個重要參數(shù)。試驗上這兩個參數(shù)通過確定IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照同，閉路電路Isc正比于入射光強度，開路電壓Voc隨著入射光強度對數(shù)式增大。從半導(dǎo)體物理根本理論不難得到這個結(jié)論。此外，從太陽能電池的工作原理考慮，開路電壓Vocpn結(jié)勢壘為零時的電壓pn結(jié)的勢壘高度VD，是一個與材料帶隙、摻雜水公平有關(guān)的值。實際狀況下最大開路電壓值與材料的帶隙寬度相當。4、太陽能電池的效率太陽能電池從本質(zhì)上說一個能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此爭論太陽能率問題，實際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過程效率不行能是100％。就太陽能電池而言，我們需要具有足夠高的效率太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能P 和入射光能P 的比值：m inp mppin

100%m m100%IIVin其中IV 在I－V關(guān)系中構(gòu)成一個矩形叫做最大功率矩形如圖4光特性I－V曲m m線與電流、電壓軸交點分別是閉路電流和開路電壓。最大功率矩形取值點pm

的物理含義是太陽能電池最大輸出功率點，數(shù)學(xué)上是I－V曲線上坐標相乘的最大值點。閉路電IV

IVm mscoc I Vsc oc0.7～0.8之間。pn結(jié)，因而具有一個確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因此，入射到太陽能電池的太陽光只有光子能量高于禁帶寬度的局部才會實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)Si28因素，如大氣對太陽光的吸取、外表保護涂層的吸取、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。綜合考慮起來，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率大致在10％～15％之間。太陽光是有效的。太陽光強度可以提高幾百倍，閉路電流線性增大，開路電流指數(shù)式增有優(yōu)勢的技術(shù)選擇。5實測太陽能電池暗特性曲線5給出了對某種商用太陽能電池板室溫下〔25℃〕I－V曲線。6實測太陽能電池光特性曲線6是對某種商用太陽能電池板室溫下〔25℃〕、150W氙燈光源直接照耀下得到I－V曲線、功率曲線和最大功率矩形示意圖。三、試驗設(shè)備本試驗選用杭州大華儀器制造生產(chǎn)的DH6521A型多功能太陽能電池綜合特性測試儀，設(shè)備構(gòu)造如圖7所示。設(shè)備包括光源與太陽能電池、光路和溫度掌握裝置外電路三個局部。1、光源與太陽能電池局部承受高壓氙燈光源，高壓氙燈具有與太陽光相近的光譜分布特征。光源標稱功率150W50mm8為氙燈電源，氙氣燈作為光源也可以用作其它試驗的Si9所示，標稱開路電壓4.5V43mm×43mm。教師也可以爭論多晶、非晶、納米等太陽能電池的根本特性。11氙燈2光路3凸透鏡4濾色片5溫度掌握箱7設(shè)備構(gòu)造示意圖 圖8氙燈電源面板圖 圖9 單晶硅太陽能電池板2、光路局部本設(shè)備光路由有效通光孔徑Φ56mm于產(chǎn)生平行入射光束，光強度局部通過調(diào)整氙燈電壓來實現(xiàn)，通過波長分別為365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的濾色片用于產(chǎn)生近似的單色光來爭論太陽能電池的光譜響應(yīng)特性。各局部均可以調(diào)整至試驗所需要的最正確位置，調(diào)整凸透鏡時，須先將氙燈應(yīng)與光路局部對接，再將氙燈點亮，用萬用表監(jiān)視信號輸入/輸出口〔為太陽能電池的輸出口〕的電源輸出值，凸透鏡起始位置在靠近光源處〔入光口〕，當凸透鏡調(diào)至某一適宜位置，其輸出電壓值為最大，此時，該位置便為最正確位置。試驗時，便不要再去移動凸透鏡。濾色片的位置靠近太陽能電池處〔出光口〕。3、溫度掌握及外電路電源1011，Pt1001213。圖10 溫度掌握裝置面板示意圖 圖11 溫度掌握箱面板示意圖圖12 Pt100溫度變換器示意圖 圖13 直流電源面板示意圖溫控局部的參加主要是用來爭論溫度對太陽能電池特性的影響。溫度可在室溫～80℃間選擇，加熱電流可調(diào)。0～30V用于暗特性的正偏、反偏測試。光特性測試中電流表量程2A，最小電流四、試驗內(nèi)容與步驟連接好氙燈箱電源線〔在箱后側(cè)〕；將多功能太陽能電池綜合特性測試儀設(shè)備〔黑色〕輸出Ⅰ與氙燈箱上的輸出Ⅰ對應(yīng)，該路為氙燈電源；輸出Ⅱ與氙燈箱上的輸出Ⅱ?qū)?yīng)，該路為風扇電源-AC220V,并將光強調(diào)整擰到最大，否則難以觸發(fā)氙燈。假設(shè)風扇不能正常工作，請馬上關(guān)閉電源，以免內(nèi)部因溫度過高燒壞燈泡。試驗完畢之后，拔出輸出Ⅰ端的電源線，輸出Ⅱ保存著，讓風扇連續(xù)工作，有利于氙燈均勻降溫。DH6521APt100(Ⅰ)輸出端〔兩芯航空座〕Pt100(Ⅰ)口〔兩芯航空座〕相對應(yīng)，后側(cè)有一根輸出線與太陽能加熱電源連接，按住溫度掌握裝置DH6521ASET〔設(shè)定最高溫度按移位鍵再按設(shè)置鍵進展溫度增加或者減小最小區(qū)分率為1℃，留意：加熱溫度不宜設(shè)置過高，一般不超過100℃，以免對加熱設(shè)備造成消滅性損壞。數(shù)只作為參考用。加熱時，可以增大加熱電流，以縮短加熱時所需的時間；右邊的=10mV。右邊的信號輸入/輸出口，為太陽能電池的輸出口，在做暗特性試驗時，直流電源信號從今信號口輸入，做光照特性時，太陽能電池電壓信號從今信號口輸出。1、太陽能電池暗特性測試14連接電路。留意：測試反偏電壓V下通過太陽能電池的電流I，電壓范圍-30～0V；測試正向偏壓下通過太陽能電池的電流I，電壓范。(通過極性切換開關(guān)，可以得到極性相反的電壓。)匯總測試數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線。依據(jù)試驗時間安排測量不同溫度下的特性曲線。pn結(jié)電流電壓方程對正偏試驗數(shù)據(jù)進展擬和。〔只測試一個溫度下的特性曲線即可〕測試中依據(jù)數(shù)據(jù)點規(guī)律適當安排數(shù)據(jù)點密集程度。試驗測試電路如圖14所示：圖14 暗特性試驗電路圖說明：D為太陽能電池暗特性時的表示符號，接信號輸入、輸出口〔三芯航空座，四根線，紅色為正，黑色為負〕；R為電阻箱〔0Ω~111.111kΩ〕；E為外接直流電源〔極性可以切換〕；V、mA均為四位半數(shù)字萬用表。2、太陽能電池光照特性測試光照特性試驗時，先進展光路局部的高度調(diào)整：接好氙燈電源的連接線，翻開氙燈電源，可以看到有一束光射進箱內(nèi)，先將凸透鏡與入光口的高度保持全都，再調(diào)整濾色片的高度與出光口的高度全都；14試驗電路圖接線，將電阻箱開路，微調(diào)凸透鏡的前后左右位置，使其輸出數(shù)字萬用表的電壓值顯示為最大，〔試驗時電壓始終在變化？〕濾色片位置可以不變，即貼在出光口上。加熱局部有三個可用來調(diào)整水平的銅質(zhì)螺釘，其作用可使加熱箱能與光路箱緊貼。光照試驗內(nèi)容〔1〕15連接電路，不加載濾色片、光強度最大條件下通過轉(zhuǎn)變負載電阻來測試太陽能電池I－V特性曲線，匯總數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線，然后依據(jù)特性曲線求解出Voc

、閉路電流Isc

1500Ω左右；〔2〕〔選做〕不加載濾色片，在兩種不同光強下測量I－V特性，得到不同光強下I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)；最大功率約在2K-2.5KΩ左右；〔3〕〔選做〕最大光強下，加載不同濾色片，測量I－V特性，得到不同單色光照I－V特性曲線、開路電壓、閉路電路數(shù)據(jù)；365nm70KΩ左右，405nm5KΩ左右，436nm70KΩ左右，546nm最大功率約6KΩ左右，577nm5KΩ左右；〔4〕〔選做〕不同溫度下(包括升溫順降溫試驗)的重復(fù)〔1〕得到不同溫度下I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)?！?〕數(shù)據(jù)采集局部具體操作在軟件的幫助說明文件里面。比照光強度、濾色片、溫度對太陽能電池的I－V特性的影響，依據(jù)I－V曲線計算出不同測量參數(shù)下的最大功率矩形的值，進而計算出占空系數(shù)。15所示：圖15 光照特性試驗電路圖0～99999.9Ω(ZX21-HZDH)16。圖16 電阻箱五、問題

圖17 試驗儀器尺寸圖1、太陽能電池的工作原理是什么？2利？3、試驗中太陽能電池外表不垂直入射光束，對試驗會產(chǎn)生什么影響？4、為了盡可能提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，太陽能電池外表應(yīng)當怎么處理為好？5、不同單色光下太陽能電池的光照特性有什么變化？為什么？6、依據(jù)試驗結(jié)果