太阳能电池特性研究(20180723145242)

太阳能电池特性研究1．实验目的1. 熟悉太阳能电池的内部结构和发电原理。2. 懂得太阳能电池的一些特征参数的测量方法。3. 了解影响太阳能电池发电的因素及改善方法。2. 实验仪器一个氙灯光源 电压表 电流表 可调电阻一个 太阳能电池板一个导轨导线若干根 光具座两个 带有红黑表笔的万能表一个 功率计3．实验原理太阳能作为可再生能源的一种， 则是指太阳能的直接转化和利用， 通过转换装置转换为电能使用的， 属于太阳能发电技术， 光电转换装置通常是利用半导体的光伏效应原理来进行光电转换的， 因此又称为太阳能光伏技术。 它是这样一种器件当受阳光照射时， 在它的内部释放出电荷， 这些电荷能在半导体中自由移动， 最终流过一个象白炽灯或电动机这样的电负载， 以这种方式产生电压电流的现象称为光生伏特效应。如图表示一个太阳能电池的基本工作情况。光子被半导体吸收并在此过程中产生荷电载流子电子和空穴。它们向“结”扩散，如图所示的 P． n 结或其它类型的结扩散， 只要它有一个强的内部电场。 电子和空穴被电场分离， 从而在外电路中产生电压和电流。在吸收光子的同时，半导体中产生正、负电荷载流子。这些载流子在 p-n 结两边聚集并在外电路中引起电流。 图中电流为灯泡提供功率”J。当晶片受光后， PN结中 N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N 型区移动， 从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。 然后在 PN 结中形成电势差， 这就形成了电源。 晶片受光过程中带正电的空穴往 P 型区移动， 带负电的电子往 N 型区移动；晶片受光后负电子从 N 区负电极流出，空穴从 P 区正电极流出。如图所示 晶片受光后电流的形成太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应” ，光伏电池就是利用这种效应制成的【 12】 【 131。当太阳光照射到半导体上时， 其中一部分被表面反射掉， 其余部分被半导体吸收或透过。 被吸收的光， 当然有一些变成热， 另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子．空穴对。这样，光能就以产生电子．空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在 P． N 结，则在 P 型和 N 型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向 N 区， 空穴驱向 P 区，从而使得 N 区有过剩的电子， P 区有过剩的空穴，在 P． N 结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外， 还使 P 型层带正电， N 型层带负电， 在 N 区与 P 区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在 P 型层和 N 型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。光伏电池发电过程至今光伏电池已经发展到了第 2 代。 第 1 代光伏电池包括单晶硅和多晶硅 2种，工业化产品效率一般为 13％～ 15％，目前可工业化生产、可获得利润的光伏电池就是指第 1 代电池。 但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。 第 2 代光伏电池是薄膜光伏电池， 其成本低于第 1 代， 可大幅度增加电池扳制造面积， 但是效率不如第 1 代。 在将来的第 3 代光伏电池应该具有以下特征薄膜化、 高效率、 原材料丰富和无毒性。 可望实现的第 3 代电池效率的途径包括叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。 【 8】光伏电池材料主要包括 产生光伏效应的半导体材料、 薄膜用村底材料、 减反射膜材料、 电极与导线材料、 组件封装材料等。 其中用来制作光伏电池所用的半导体材料有元素半导体、 化合物半导体和各种固体溶体。 从半导体材料使用的形态来看．有晶片、薄膜、外延片。按化学组成及产生电力的方式，光伏电池可分为无机光伏电池、 有机光伏电池和光化学电池 3 大类。 按形态分可以分成块状光伏电池和薄膜光伏电池 2 大类。 【 7】光伏电池的制造方法各异， 但根据其使用的材料主要有以下几种类型 单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铟硒铜电池等，其分类情况如图所示。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机电池等。光伏电池分类当一束光照射 Np． n 结时，短波光子在 n 区产生电子．空穴对，长波光子在 p 区产生电子． 空穴对， 如果所产生的电子． 空穴对有足够长的寿命而没仃被复合，那么 n 区和 P区产生的光生少予各自扩散到 p． n 结的势垒取区附近，被内电场分离。在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离丌势垒区，结果使D 区电势升高， n 区电势降低， p-n 结两端形成光生电动势。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移， 从而在内部构成自 n 区流向 p 区的光生电流， 在P． n 结短路情况下构成短路电流密度 Jsc，这时外电路中就会有电流通过，这个电流为短路电流。在 p-n 结开路情况下， p-n 结两端建立起光生电势差 Voc，这就是开路电压。如将 p． n 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路， p-n 结起到了电源的作用，这就是太阳能电池的基本工作原理。显然，太阳能电池之所以能在光照下形成电流密度 J，短路电流密度 Jsc，开路电压Voc，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。一般的太阳能电池是由两种不同导电类型的半导体 n-电子型， p．空穴型 构成。在光的照射下，如果光子能量大于禁带宽度， 价带中的电子会被激发到导带中， 在半导体内部产生电子一空穴对。由于扩散作用，这些非平衡载流子运动到 p n 结的边界便被内建电场所分离，非平衡电子被拉向 n 区，结果在 n 区边界将积累非平衡电子， p 区边界将积累非平衡空穴，产生一个与平衡 p． tl 结内建电场方向相反的光生电场。于是在p 区和 n 区间建立了光生电动势，这就是光伏效应。太阳能电池是吸收光后产生载流子的半导体， 若想获得高转换效率的电池， 那么从电池的光吸收与太阳光谱响应出发，认为光吸收材料的禁带宽度为 1． 4eV 左右为最好。当光照射在电池上时，由于 N 区 宽度厶 比较狭窄，能量大于禁带宽度 E的大部分光子在耗尽层和 P 区 宽度， 。 被吸收，产生光生电子．空穴对 EHPs。在耗尽层的光生 EHPs立即被内建电场所分离， 电子漂移到达 N 区形成负极性区域，同时空穴漂移到达 P 区形成正极性区域，于是通过接线在 PN 结两端形成了开路电压吃。如果连接了负载，那么 N 区的大量电子经过外电路工作，然后到达 P 区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光生 EHPs，在 N 区积累大量电子，在 P 区积累大量空穴起了关键作用。太阳能电池工作原理因为没有电场的缘故，在 P 区被吸收的长波长光子激发的 EHPs只能扩散到一定的区域。假设电子的寿命为 0，则它的平均扩散长度丘可由 式 2． 1--表示，其中见为电子在 P 区的扩散系数。离耗尽层的距离在 t 范围内的那些电子能扩散到内建电场， 并在内建电场的作用下漂移到 N 区，因此在 P 区产生的光生 EHPs中，只有那些离耗尽层距离在丘范围内的的少数载流子 电子 才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被鼠扫到 N 区，增加该区的负电荷，空穴留在 P 区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于丘的光生 EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度 t 要尽可能的长， 又由于在半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以 P 区产生的电子为少数载流子的硅 PN结。同样，在 N 区由短波长光子激发产生的 EHPs中只有那些离耗尽层距离小于扩散长度厶的少数载流子 空穴 能到达耗尽层并被内建电场分离到 P 区。因此，对光伏效应起作用的 EHPs的产生发生在这样一个区域厶 矿 厶。如图 2． 2 所示，树区大量的电子通过外电路流到 P 区与空穴中和， 这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流厶。要注意的是，在 PN 两端形成光生电动势后，相当于在 PN 结两端加上了正向电压以具有普通 PN 结的二极管特性，正向电流为 L‘ 161，因此通过电池的总电流IId-Iph 光电流产生区域由上面分析可以看出， 为使半导体光电器件能产生光生电动势， 他们应该满足以下三个条件1半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数口，即要求入射光子的能量力’ ， 大于或等于半导体材料的禁带宽度 t， 使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。2如图为一些材料的吸收曲线。可以发现 GaAs 和非晶硅的吸收系数比单晶硅大得多，透入深度 1／ a只有 1 岬左右，即几乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片 约 100“--300lam才能充分吸收；对于短波长的光，只在入射表面附近 l 岬区域内就已充分吸收了。3具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在 P 区积累了非平衡空穴，而在 N区积累了非平衡电子。产生了一个与平衡 PN结内建电场相反的光生电场，于是在 P 区和 N 区间建立了光生电动势（或称光生电压） 。不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系典型的太阳能电池的结构如图所示。硅的 PN接合处，被夹在上、下两个金属接触层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到 PN 接合之上。 PN接合的项部有一层防反射薄层． 以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。 这就是太阳能板的表面看起来很暗淡的原因。太阳能电池结构图4． 实验内容○ 1 光功率密度随距离的变化关系将光源固定在导轨的一端， 用功率计每隔 5cm测量一次功率， 为了减少温度对功率计的影响，从距离光源 50cm以外处处开始测量，根据测量出来的数据绘制出功率密度 J 随距离 L 的变化曲线（ J-L 图） ，将曲线延长就可得到距离光源50cm以内的光功率密度，功率计探头的直径是 10mm。测量数据如下 （光源在距离导轨 9cm处）初始值为 距光源 50cm处，测得功率为 13.04mw 距光源 55cm处，测得功率为 11.02mw 距光源 60cm处，测得功率为 9.33mw 距光源 65cm处，测得功率为 8.10mw 距光源 70cm处，测得功率为 7.14mw 距光源 75cm处，测得功率为 6.32mw 距光源 80cm处，测得功率为 5.65mw 由于已经给出功率计的探头直径为 10mm，可以算出功率计探头的表面积为0.785cm2， 由此可算出对应各点的功率密度， 即可绘制出如图所示的 L-J 图像。○ 2 短路电流随入射功率的变换关系将实验一中的功率计换成太阳能电池，用红黑线连接好太阳能电池和实验机箱，测量短路电流随距离的变化关系，从与实验一中相同测量起点开始测量，同样是每隔 5cm测量一次， 就可以得到短路电流随距离的变化关系， 再结合实验一中所得到的功率密度虽距离的的变化关系就可以得到短路电流随入射功率的变化关系，绘制出短路电流随入射功率的变化曲线（ I-P 图） ，太阳能电池板的面积为 75cm*cm。测得数据如下 （与上个实验一样，太阳能电池板在距导轨 9cm处） 。初始值为在距电池板 50cm处，电流为 46mA 在距电池板 55cm处，电流为 41mA 在距电池板 60cm处，电流为 36mA 在距电池板 65cm处，电流为 33mA 在距电池板 70cm处，电流为 29mA 在距电池板 75cm处，电流为 26mA 在距电池板 80cm处，电流为 23mA 再结合实验一的数据可以得到各点功率与电流的对应关系 46mA-13.04mw 41mA-11.02mw 36mA-9.33mw 33mA-8.10mw 29mA-7.14mw 26mA-6.32mw 23mA-5.65mw 则根据得出功率与电流的关系可以绘制出图形如下○ 3 开路电压随入射功率的变化关系将实验一中的功率计换成太阳能电池， 用红黑线连接好太阳能电池和实验机箱，测量开路电压随距离的变化关系，从与实验一中相同测量起点开始测量，同样是每隔 5cm 测量一次，就可以得到开路电压随距离的变化关系，再结合实验一中所得到的功率密度随距离的变化关系就可以得到开路电压随入射功率的变化关系，绘制出开路电压随入射功率的变化曲线，太阳能电池板的面积是75cm*cm. 测得数据如下 （同上，太阳能电池板在距离导轨 9cm 处）初始值为在距离电池板 50cm 处，开路电压为 6.61v 在距离电池板 55cm 处，开路电压为 6.55v 在距离电池板 60cm 处，开路电压为 6.48v 在距离电池板 65cm 处，开路电压为 6.43v 在距离电池板 70cm 处，开路电压为 6.37v 在距离电池板 75cm 处，开路电压为 6.31v 在距离电池板 80cm 处，开路电压为 6.25v 在结合实验一中数据可以得到功率与开路电压之间的对应关系为6.61-13.04 6.55-11.02 6.48-9.33 6.43-8.10 6.37-7.14 6.31-6.32 6.25-5.65 由此绘制出功率与开路电压之间的图形 U-P图如下○ 4 太阳能电池伏安特性连接好实验电路，将可调电阻调节到最小，并将太阳能电池固定在 50cm 外的某一位置， 打开电源开始测量并记录实验数据， 调节可调电阻旋钮， 观察电流表和电压表的变化，每隔 6mA 记录一次电流表上的数据极其相对应的电压表上的数据，直到可调电阻调节到最大为止，绘制出伏安特性曲线（ I-U 图） 。改变太阳能电池的位置，重复上述实验操作。测量数据如下 （我们首先设定太阳能电池在距导轨 59cm 处）初始值为电流为 6mA，对应的电压为 6.53mv 电流为 12mA，对应的电压为 6.38mv 电流为 18mA，对应的电压为 6.23mv 电流为 24mA，对应的电压为 6.07mv 电流为 30mA，对应的电压为 5.88mv 电流为 36mA，对应的电压为 5.53mv 电流为 38mA，对应的电压为 5.14mv 电流为 40mA，对应的电压为 4.07mv 电流为 42mA，对应的电压为 3.13mv 电流为 45mA，对应的电压为 1.45mv 电流为 47mA，对应的电压为 0.08mv 我们改变太阳能电池的位置，设定为距离光源 69cm 处，则测量数据为 I------U 6------6.50 12-----6.35 18-----6.21 24-----6.00 30-----5.80 36-----5.48 40-----4.07 42-----3.11 45-----1.34 47-----0.06 多次改变太阳能电池板的位置，分别置于 79cm， 89cm 处，与前两组所测得数据在一定的范围内波动， 由此绘制曲线， 会得到一个前半段平滑， 后半段比较倾斜的曲线，如下图所示○ 5 太阳能电池内阻由实验四中的测量得到电压和电流实验数据可以计算出相应的电阻值 R 和输出功率 P 其中 RU/I； PU*I 绘制出功率随电阻的变化曲线（ P-R图） 。在图中找出输出功率的最大值 Pmax，再找出其对应的电阻值 Ro， Ro和该太阳能电池的内阻相等，由此可以估算出该太阳能电池的内阻。再根据实验四中所得到的另一组实验数据重复上述实验操作， 观察两次夺得内阻的变化情况，分析其原因。 （内阻随入射光功率的减小而增大）根据实验四中测得电压与电流数据，可以计算出电阻值为R11.088om; R20.532om; R30.346om; R40.253om; R50.196om; R6.154om; R70.135om; R80.0745om; R90.0322om; R100.00170om 同理可计算出想对应的功率值为P139.18mw; P276.56mw; P3112.14mw; P4145.68mw; P5176.4mw; P6199.08mw; P7195.32mw; P8131.46mw; P965.25mw; P103.76mw 根据计算出的 P 值和 R 值，绘制曲线○ 6 估算太阳能电池的转换效率从实验五中可以得到太阳能电池在固定入射光强（距离光源距离 Lo 确定）的条件下的最大输出功率值 Pmax（最佳输出电压 Um 和最佳输出电流 Im 的乘积） ， 再由实验一可以得到在该确定距离 Lo 处的入射到整块太阳能电池板上的光功率 P。 整块太阳能电池的面积是 75cm*cm。 由此可以估算出该太阳能电池的光电转换效率 η η （ Um*Im） /PPmax/P 从实验五中可以得到 Pmax199.08mw，选取距离 59cm 处的入射到整块太阳能电池板的光功率 P 为 P1164.211mw。则可以计算出太阳能电池上的光电转换效率为η 199.08/1164.2110.171 即该太阳能电池的光电转换效率为 17.1 ○ 7 估算太阳能电池的填充因子从实验五中可以得到在太阳能电池在固定入射光强（距离光源距离 Lo 确定） 的条件下的最大输出功率值 Pmax（最佳输出电压 Um 和最佳输出电流 Im 的乘积） ，再根据实验二和实验三所测量得到的实验数据可以得到在该确定距离 Lo处的短路电流 Isc 和开路电压 Uoc 的值，由此可以估算出该太阳能电池的填充因子 FFFF（ Um*Im ） / （ Uoc*Isc） Pmax/（ Uoc*Isc）由实验五可知在 59cm 处最大输出功率值 Pmax199.08mw 由实验三可知在 59cm 处开路电压为 Uoc6.61v 由实验二可知在 59cm 处短路电流为 Isc46mA 则计算出 FF199.08/46*6.610.655，即为 65.5