大學物理實驗

實驗報告實驗課程名稱硅光電池特性測試業(yè):***********級：********名：***-號：**********實驗學時:指導教師:績:2017年6月8日西安工業(yè)大學實驗報告專業(yè)班級姓名****學號*******實驗課程硅光電池特性測試指導教師實驗日期2017.6.8同實驗者實驗項目測試硅光電池的特性實驗設備及器材1.光具座及滑塊座：均為鋁合金材質，燕尾形偶合結構，標尺長50.0cm。2.太陽能電池盒。3.光源：25W白熾燈。4.DJL-0E-II型太陽能電池特性測試儀：含3位半數(shù)字電壓表0—2V,內阻100K；3位半數(shù)字電流表0—20mA，內阻10Q；直流穩(wěn)壓電源0—5V連續(xù)可調。5.數(shù)字式光功率計，量程為0—20mW和0—100mW二檔。6.遮光光闌（帶①6mm孔）1個，遮光蓋1個。7.電阻箱：0?99999.9Q。一、實驗目的測量太陽能電池在無光照時的伏安特性曲線；測量太陽能電池在光照時的輸出特性，并求其的短路電流I、開路電壓SCU、最大輸出功率P及填充因子FF。OCm3?測量太陽能電池的短路電流I、開路電壓U與相對光強J的關系，求出SCOCJ0它們的近似函數(shù)關系；二、實驗原理太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收光子的能量轉化為電能。這一能量轉換過程是利用半導體P-N結的光伏效應（PhotovoltaicEffect）進行的。在沒有光照時太陽能電池的特性可簡單的看作一個二極管，其正向偏壓U與通過電流I的關系式為：I=I（enkT—1）=I（e0〃—1） （1）00其中，I、U為P-N結二極管的電流及電壓，k為波爾茲曼常數(shù)（1.38X10-23J/K）,q為電子電荷量（1.602X10-19庫侖），T為絕對溫度，I是二極管的反0向飽和電流，n是理想二極管參數(shù)，0=丄。nkT由半導體理論知,二極管主要是由如圖1所示的能隙為E-E的半導體所構CV成。E為半導體導電帶，E為半導體價電帶。因為在不同的光譜中光子所攜帶的CV

能量不一樣，并非所有光子都能順利地通過太陽能電池將光能轉換為電能。當光

子所攜帶的能量大于禁帶能量時，光子照射入半導體內，把電子從價電帶激發(fā)到

導電帶，從而在半導體內部產(chǎn)生了許多“電子-空穴”對，在內建電場的作用下，

電子向N型區(qū)移動，空穴向P型區(qū)移動，這樣，N區(qū)有很多電子，P區(qū)有很多

空穴，在P-N結附近就形成了與內建電場方向相反的光生電場，它的一部分抵

消了內建電場，其余部分則使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，于是在N區(qū)與P區(qū)之

間產(chǎn)生了光生伏打電動勢，這就是所謂的“光伏效應”。若光子所攜帶得能量小

于禁帶能量時，就對太陽能電池而言并沒有什么作用，不會產(chǎn)生任何的電流。在

太陽光照射到太陽能電池產(chǎn)生電子-空穴對的同時，也會有部份的能量以熱能形式散逸掉而不能被有效的利用。圖1 太陽能電池光電轉換機理示意圖如果太陽能電池開路，即組成電池回路中，負載電阻為無窮大，則被P-N結分開的電子和空穴，全部積累在P-N結附近，于是出現(xiàn)了最大光生電動勢，其數(shù)值即為開路電壓（U）。如果把太陽能電池短路，即回路負載電阻為零，則OC所有P-N結附近的電子與空穴，由結的一邊，流經(jīng)外電路到達結的另一邊，產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流（I）。太陽能電池相當于具有與受光面平行SCshs示。圖2 太陽能電池的理論模型等效電路的極薄P-N結的大面積的等效二極管，因此可以建立一個等效理論模型來分析其工作特性，假設太陽能電池為一個理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、個理想二極管所和一個電阻R并聯(lián)，并串有一個電阻R的等效電路，如圖shs示。圖2 太陽能電池的理論模型等效電路TOC\o"1-5"\h\z圖中，I為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，I為光照時，通過太ph d陽能電池內部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：I+U-（I-1-1）R二0 （2）RS phd shI為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓?？梢缘玫剑篒（1+?二I-—-1 （3）R phRdsh sh假定R=^和R=0，則太陽能電池可簡化為圖3所示電路。sh s cJLu圖3 太陽能電池理論模型的簡化等效電路這里，I=I-1=I-1（e切-1）。那么，phdph0在短路時：U=0,I=I；在開路時，I=0,I-1（ePUOC-1）=0；貝9：phSC ph01IU=—ln[￥+1] （4）ocBI0（4）式即為在R=^和只=0的情況下，太陽能電池的開路電壓U和短路電sh s OC流I的關系式。三、 實驗儀器光具座及滑塊座：均為鋁合金材質，燕尾形偶合結構，標尺長50.0cm。太陽能電池盒。光源：25W白熾燈。DJL-OE-II型太陽能電池特性測試儀：含3位半數(shù)字電壓表0—2V，內阻100K；3位半數(shù)字電流表0—20mA,內阻10Q；直流穩(wěn)壓電源0—5V連續(xù)可調。數(shù)字式光功率計，量程為0—20mW和0—100mW二檔。遮光光闌（帶①6mm孔）1個，遮光蓋1個。電阻箱：0一99999.9Q。四、 實驗內容無光照（全黑）條件下，測量太陽能電池正向偏壓時的I—U特性

紅kNI韭電紅kNI韭電;E閤4i-U待件測試示總圏按照圖4所示方法安排實驗儀器，蓋上遮光蓋，依次改變電源電壓，通過電流表和電壓表分別測得實驗數(shù)據(jù)，畫出I—U曲線，并求得常數(shù)B和I值。0由實驗數(shù)據(jù)作圖，并進行曲線擬合。2．在不加偏壓時，測量太陽能電池在光照時的輸出特性。按照圖52．在不加偏壓時，測量太陽能電池在光照時的輸出特性。按照圖5所示方法安排實驗儀器，打開遮光蓋。保持一定距離（例如用光i6）j功率計測量光功率1mW處），用白熾燈照射，測量電池在不同負載電阻下，I對U變化關系，畫出I—U曲線圖，并進行曲線擬合，求出在此光照條件下太陽能電池的短路電流I、開路電壓U以及最大輸出功率P、填充因子SCOCm（FF仁I口）。-SCOC測量太陽能電池的光照效應與光電性質。將光功率計置于導軌上，測量白熾燈的光照強度，取光電池在測量值為1mW處位置的光照強度作為標準光照強度J,改變太陽能電池到光源的距離，用光功0率計測量光照強度J（光功率計探頭線直接與太陽能電池相對接）。測量太陽能電池接收到相對光強度厶不同值時，相應的I和U的值,（為得到較小的J時,J SCOC J00可使用帶有①6mm孔的遮光光闌）。具體測量辦法是：測完一個相對光強度值后,斷開功率計和太陽能電池的連接線，把太陽能電池分別加到電流表和電壓表上測量短路電流I和開路電壓U。跟據(jù)測量結與之間的果，描繪I?J、U?JSC OC SCJ OCJ之間的關系曲線，求幕與J之間和UOC與J之間的近似函數(shù)關系。五、實驗數(shù)據(jù)表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性U/V0.0050.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.500I/mA0.0000.0100.0200.0500.0900.1800.3400.6801.5203.1906.010表2不同負載電阻下I-U關系RL(Q)050100150200250300350400450U/V0.0000.0180.0350.0520.0680.0820.0970.1110.1240.137I/mA0.350.350.350.340.340.330.320.320.310.30RL(Q)500550600650700750800850900950U/V0.1480.1580.1680.1770.1840.1910.1980.2040.2110.215I/mA0.290.290.280.270.260.250.250.240.230.23RL(Q)1.0K2.0K3.0K4.0K5.0K6.0K7.0K8.0K9.0K10.0KU/V0.2200.2600.2720.2780.2810.2830.2850.2860.2870.287I/mA0.220.130.090.070.060.050.040.040.030.03表3太陽能電池接收到不同相對光強度值相應嘰和U測量結果OCJJz01.601.401.201.000.800.600.400.200.100.080.06U(V)OC0.5800.5200.4400.3600.3000.2200.2290.1760.1310.1170.096I(mA)SC0.3310.3230.3100.2980.2830.2600.1500.0800.0400.0300.020國1全暗情況卜太陽能電池在外加偏E時優(yōu)安

特性圖7不-負載電阻P|-U關系i/mA

....-■- 二汁|.一-_|.一?廠三匕工 J00.7DOr-■1600O.iW?ISCCnilA：-O.iW?ISCCnilA：-■15000.2DO<5.1000 02 04。啟I"1 11 1.4L6LB六、注意事項白熾燈應與與太陽能電池特性測試儀后面板上的香蕉插頭座對