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近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)應(yīng)用物理班級(jí)11級(jí)(2)班實(shí)驗(yàn)名稱太陽(yáng)能電池的測(cè)試實(shí)驗(yàn)小組成員姓名:實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)K7-401指導(dǎo)教師馬廠實(shí)驗(yàn)時(shí)間2013年12月日【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.測(cè)量光照狀態(tài)下太陽(yáng)能電池的短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc、最大輸出功率Pm及填充因子FF;2.沒(méi)有光照的情況下,太陽(yáng)能作為一個(gè)二極管器件,測(cè)量在正向偏壓的情況下,太陽(yáng)能電池的伏安特征曲線,求出正向偏壓時(shí),電壓與電流的經(jīng)驗(yàn)公式;3.測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系,求出近似函數(shù)關(guān)系;4.測(cè)量不同角度光照下的太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓、短路電流;5.測(cè)量太陽(yáng)能電池板的串聯(lián)并聯(lián)特性;6.測(cè)量暗狀態(tài)下的太陽(yáng)能電池板的伏安特性?!緦?shí)驗(yàn)儀器】太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)主機(jī)、太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)機(jī)箱、太陽(yáng)能電池板、連線若干、60W白熾燈一個(gè)、擋板圖1太陽(yáng)能電池主機(jī),電器箱【實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)舉例】一、太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池又叫光伏電池,它是把外界的光轉(zhuǎn)為電信號(hào)或電能。實(shí)際上這種太陽(yáng)能電池是由大面積的PN結(jié)形成的,即在N型硅片上擴(kuò)散硼形成P型層,并用電極引線把P型和N型層引出,形成正負(fù)電極。為防止表面反射光,提高轉(zhuǎn)換效率,通常在器件受光面上進(jìn)行氧化,形成二氧化硅保護(hù)膜。短路電流和開(kāi)路電壓是太陽(yáng)能電池的兩個(gè)非常重要的工作狀態(tài),它們分別對(duì)應(yīng)于和的情況。在黑暗狀態(tài)下太陽(yáng)能電池在電路中就如同二極管。因此本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量出太陽(yáng)能電池在光照狀態(tài)下的短路電流Isc和開(kāi)路電壓Uoc,最大輸出功率PM和填充因子FF以及在黑暗狀態(tài)下的伏安特性。在=0情況下,當(dāng)太陽(yáng)能電池外接負(fù)載電阻時(shí),其輸出電壓和電流均隨變化而變化。只有當(dāng)取某一定值時(shí)輸出功率才能達(dá)到最大值,即所謂最佳匹配阻值,而則取決于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻。由于和均隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大,所不同的是與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比,與光強(qiáng)(在弱光下)成正比,所以亦隨光強(qiáng)度變化而變化。、和都是太陽(yáng)能電池的重要參數(shù)。最大輸出功率與和乘積之比,可用下式表示:(1)上式中FF是表征太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的指標(biāo),稱為填充因子,填充因子一般在0.5~0.8之間。黑暗狀態(tài)下的太陽(yáng)能電池工作如圖此時(shí)加在它上面的正向偏壓U與通過(guò)的電流I之間關(guān)系式為:(2),式中I0和β是常數(shù),=1.38x10-23x300/1.602X10-19=2.6*10-2V在光照狀態(tài)下,如果設(shè)想太陽(yáng)能電池是由一理想電流源,一理想二極管,一并聯(lián)電阻Rsh與一個(gè)電阻RS所組成,那么太陽(yáng)能電池的工作如圖:圖中Iph為太陽(yáng)能電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流,Id為光照時(shí),通過(guò)太陽(yáng)能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得:(3)(3)式中,I為太陽(yáng)能電池的輸出電流,U為輸出電壓。由(4)式可得(4)假設(shè)和太陽(yáng)能電池可簡(jiǎn)化為:這里,。在短路時(shí),而在開(kāi)路時(shí),;可以得到:(5),(5)式即為在和的情況下,太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓UOC和短路電流ISC的關(guān)系式。其中UOC為開(kāi)路電壓,ISC為短路電流。二、實(shí)驗(yàn)步驟通過(guò)以下步驟的實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以從總了解太陽(yáng)能電池的光伏特性和二極管特性。(1)打開(kāi)電機(jī)箱,接通光源用電裝置的電源。打開(kāi)白熾燈的電源開(kāi)關(guān),并把調(diào)光器調(diào)到最小。(2)將太陽(yáng)能電池的插頭用線連到機(jī)箱上相同顏色的插頭(注意連接插頭時(shí)要連接同一塊板的兩個(gè)插頭),將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到明狀態(tài),加載電壓調(diào)到0,負(fù)載電阻逆時(shí)針調(diào)到最小,此時(shí)電流表上有電流顯示,這是外界光產(chǎn)生的光電流。(3)此時(shí)將燈源調(diào)到最強(qiáng),調(diào)節(jié)機(jī)箱上負(fù)載電阻,由最小調(diào)到最大,可以看見(jiàn)光電流及負(fù)載電壓的變化,每調(diào)一次電阻值,都要記錄下負(fù)載的電壓和電流,直到電壓在相鄰兩次到三次調(diào)電阻時(shí)都保持不變化為止(保持穩(wěn)定),這說(shuō)明太陽(yáng)能電池已經(jīng)達(dá)到其開(kāi)路狀態(tài),把記錄下的所有數(shù)據(jù)填寫(xiě)在如下表格中:表1電壓U/V光電流I/A電阻(K)功率P(uW)所得數(shù)據(jù)為不同負(fù)載下,太陽(yáng)能電池負(fù)載的電流和電壓,計(jì)算出功率和電阻的數(shù)值,并繪制圖象,找出功率的最大值,利用公式:,計(jì)算出太陽(yáng)能電池的填充因子FF.(4)把可調(diào)電阻調(diào)到最小,逐步調(diào)低白熾燈光強(qiáng)度(改變調(diào)光器檔位)。每調(diào)節(jié)一次,把電阻調(diào)到最大,記錄下此時(shí)的開(kāi)路電壓,把電阻調(diào)到最小,記錄下此時(shí)的短路電流,依照此法做幾次,直到光強(qiáng)很弱,光電流小到可以近似為零為止。其中光強(qiáng)比值按附件中提供的填入把記錄下的所有數(shù)據(jù)填寫(xiě)在如下表格中:表2光強(qiáng)比值I/uAUOC/V繪制出圖象,并分析短路電流與開(kāi)路電壓之間的關(guān)系。并繪制圖象,分析照度之比與短路電流之間的關(guān)系.(5)俯仰角測(cè)量:將燈源亮度旋到最亮,調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的俯仰,電池板分檔調(diào)節(jié),每檔調(diào)節(jié)100,每調(diào)節(jié)一次記錄太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓及短路電流,比較不同角度照射對(duì)太陽(yáng)能輸出的影響。表3角度開(kāi)路電壓短路電流(6)串并聯(lián)實(shí)驗(yàn):1、串聯(lián)實(shí)驗(yàn)將每個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的紅黑插座用插線串聯(lián)起來(lái)(用插線將左邊的太陽(yáng)能電池的黑插座連到右邊太陽(yáng)能電池的紅插座上,并將剩余的兩個(gè)插座與機(jī)箱上對(duì)應(yīng)顏色的插座連接起來(lái)),此時(shí)重估光照狀態(tài)下的測(cè)試實(shí)驗(yàn),觀察在最大照明狀態(tài)下單個(gè)太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓、短路電流與串聯(lián)時(shí)的區(qū)別。并思考實(shí)際開(kāi)路電壓與理論上的不同之處。2、并聯(lián)實(shí)驗(yàn)每個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的紅黑插座用插線并聯(lián)起來(lái)(用插線將左邊的太陽(yáng)能電池的插座連到右邊太陽(yáng)能電池相同顏色的插座上,將太陽(yáng)能板上的插座與機(jī)箱上對(duì)應(yīng)顏色的插座連接起來(lái)),此時(shí)重估光照狀態(tài)下的測(cè)試實(shí)驗(yàn),觀察在最大照明狀態(tài)下單個(gè)太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓、短路電流與并聯(lián)時(shí)的區(qū)別。并思考實(shí)際短路電流與理論上的不同之處。表41號(hào)多晶2號(hào)多晶3號(hào)單晶4號(hào)單晶多晶串聯(lián)多晶并聯(lián)單晶串聯(lián)單晶并聯(lián)開(kāi)路電壓V短路電流mA(7)關(guān)閉白熾燈,封閉太陽(yáng)能電池的入射孔,使太陽(yáng)能電池處于全暗狀態(tài),并把可調(diào)電阻調(diào)到最大(阻值根據(jù)明狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果得到),此時(shí)負(fù)載電壓顯示負(fù)載電阻兩端電壓,太陽(yáng)能電池兩端電壓等于加載電壓減去負(fù)載電壓。此時(shí)太陽(yáng)能電池如同一二極管在工作,給它加正向偏壓,由0V到3V,并記錄下太陽(yáng)能電池負(fù)載電阻以及太陽(yáng)能電池的正向偏壓的變化,繪制表格如下:表5u1u2()I(uA)由數(shù)據(jù)繪制圖象,把它與二極管加正向偏壓下作比較。由,當(dāng)U較大時(shí),,即由最小二乘法處理。注意:實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)表格、實(shí)驗(yàn)所要求的作圖及圖形關(guān)系的描述附在本頁(yè)之后。教師評(píng)語(yǔ):實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí):(認(rèn)真、較認(rèn)真、一般、較差、
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