太阳能电池的实验

太阳能电池的光电特性研究学院物理与光电能源学部专业电子信息科学与技术学号 1208402038 姓名 王琰摘要太阳能是一种新能源， 对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。 目前， 太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题， 许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅 3 种太阳能电池的特性。关键词太阳能电池 单晶硅 多晶硅 非晶硅引言能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。 本世纪初进行的世界能源储量调查显示， 全球剩余煤炭只能维持约 216年， 石油只能维持 45年， 天然气只能维持 61年，用于核发电的铀也只能维持 71年。 另一方面， 煤炭、 石油等矿物能源的使用， 产生大量的 CO2、SO2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的 CO2已经超过 500亿吨。我国能源消费以煤为主， CO2的排放量占世界的 15，仅次于美国，所以减少排放 CO2、 SO2等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能 ,它们随着太阳和地球的活动， 周而复始地循环， 几十亿年内不会枯竭， 因此我们把它们称为可再生能源。 太阳的光辐射可以说是取之不尽、 用之不竭的能源。 太阳与地球的平均距离为 1亿 5千万公里。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为 1.353kW /m 2，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射的功率密度约为 1kW /m2 ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大， 从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于 49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭， 而且是不会产生环境污染的绿色能源， 所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。太阳能发电有两种方式。光 热 电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。 光 电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光 电转换的基本装置就是太阳能电池。与传统发电方式相比， 太阳能发电目前成本较高， 所以通常用于远离传统电源的偏远地区， 2002 年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划” ，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快， 而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。 太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅 3 种太阳能电池的特性。正文实验主要内容1． 太阳能电池的暗伏安特性测量2． 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系3． 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系4． 太阳能电池的输出特性测量实验原理能源短缺和地球生态环境污染目前是人类面临的最大问题。 太阳能是干净、 无污染且随手可得的能源， 太阳能不但数量巨大，用之不竭， 而且不会产生环境污染。 近几年太阳能得到了大力的推广与应用。太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电能的器件。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，太阳能电池以半导体材料为基础，利用半导体 P-N 结受光照射时的光伏效应发电， 太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面 P-N 结二极管。P-N 结二极管的结构如图 1 所示， P 型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。 N 型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成 P-N 结时， N 区的电子（带负电）向 P区扩散， P 区的空穴（带正电）向 N 区扩散，在 P-N 结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过 P-N结的净电流为零。 在空间电荷区内， P 区的空穴被来自 N 区的电子复合， N 区的电子被来自P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时， 部分电子被激发而产生电子－空穴对， 在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向 N 区和 P 区，使 N 区有过量的电子而带负电， P 区有过量的空穴而带正电， P-N 结两端形成电压，这就是光伏效应，若将 P-N 结两端接入外电路，就可向负载输出电能。太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子 光子， 而每个光子所携带的能量为 EphhcEph 式 中 h 表 示 普 朗 克 常 数（ 6.626 10-34J.S） ， C 表示光速（ 3 108m/s ） ， λ 表示光子波长。在不同的光谱中光子所携带的能量不一样， 当光子所携带的能量若大于能隙时， 便可以由光电子转换成电能， 若光子N 势垒电场方向 空间电荷区P 图 1 半导体 P-N 结示意图图 2 开路电压，短路电流与光强关系电路图所携带得能量小于能隙时，光子没有足够的能量来形成电子空穴对，不会产生任何的电流，因此并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能。 电池的能隙由电池材料决定（对于晶体硅，约为 1.1eV） 。一般太阳能电池的转换效率在 20左右。在一定的光照条件下，太阳光被吸收后产生电子 -空穴对，在受到接面部份所形成的强电场的吸收，促使电子流入 N 层且空穴流入 P 层而形成电流，负载断开时测得的最大电压UOC 称为开路电压，负载短路（电阻为零）时测得的最大电流 I SC 称为短路电流，测量电路如图 2 所示。图 2 开路电压，短路电流与光强关系电路图如图 3 所示，连接电路，改变太阳能电池负载电阻的大小， 就可以测量其输出电压与输出电流， 得到输出伏安特性， 如图 4 实线所示。 太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。 同样的电池及光照条件， 负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的 P-U 曲线如图 4 点划线所示。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率 Pmax。 图 3 测量太阳能电池的输出特性电路图填充因子 FF 定义为scoc IUPFF max填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高， 一般的硅光电池 FF值在 0.750.8 之间。转换效率 η s 定义为1 0 0 m a xins PPPin 为入射到太阳能电池表面的光功率。理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图 5所示。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连，组成电池板。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。本实验提供的组件是将若干单元并联。制作太阳能电池板主要以半导体材料为基础，根据材料的不同，太阳能电池分为硅太阳能电池、无机盐（如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物）电池、功能高分子大阳能电池、纳米晶太阳能电池等。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，需要的技术水平较低 ,技术也最为成熟。在实输出电流 I Pmax （输出功率）I SC U OC 输出电压 U图 4 太阳能电池的输出特性I 1000W/m2800W/m 2600W/m 2400W/m 2200W/m 2 U 图 5 不同光照条件下的 U-I 曲线验室里最高的转换效率为 24.7 ，规模生产时的效率可达到 15。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，因此，单晶硅太阳能电池板的长远发展前景并不乐观。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，但也存在明显缺陷 , 由于 晶粒界面和晶格错位，造成多晶硅电池光电转换效率一直无法突破 20的关口。其实验室最高转换效率为 18, 工业规模生产的转换效率可达到 10。 其效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。但是由于非晶硅的光学带隙为 1.7eV ，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，使得电池性能不稳定。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。实验仪器光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱太阳能电池实验装置如图 4 所示，电源面板如图 5 所示。图 4 太阳能电池实验装置光源采用碘钨灯， 它的输出光谱接近太阳光谱。 调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光功率， 具体数值由光功率计测量。 测试仪为实验提供电源， 同时可以测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。电压源可以输出 0～ 8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。电压 / 光功率表通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入 “光功率输入” 接口的光功率计探头测量到的光功率数值。 表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光功率量程” ，可以选择适当的显示范围。电流表可以测量并显示 0～ 200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。图 5 太阳能电池特性实验仪实验内容与步骤四、实验内容1．测量硅太阳能电池的暗伏安特性暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。如图 6 所示，连接好电路，用遮光罩罩住太阳能电池，电阻箱调至 50Ω 起保护作用。打开测试仪的电源， 将电压源调到 0V， 然后逐渐增大输出电压，每间隔 0.1V 记一次电流值，将电压输入调到 0V 。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，每间隔 1V ，记录一次相应图 6 伏安特性测量接线原理图的电压与电流。 以电压作横坐标，电流作纵坐标， 画出太阳能电池的伏安特性曲线，并讨论太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同。2．开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热 5 分钟。打开遮光罩。 将光强探头装在太阳能电池板位置， 探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量” 。 由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离（每次增加 5cm）的光强 I ，记录对应的光强值。然后将光功率探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图 2A 接线 ， 按测量光强时的距离值（光强已知） ，距离每增加 5cm 记录对应的开路电压值 UOC。再按图 2B 接线，将太阳能电池输出线连接到电流表，按测量光强时的距离值（光强已知） ，距离每增加 5cm 记录对应的短路电流值 I SC。根据测量数据分别作太阳能电池的开路电压、短路电流随光强变化的关系曲线。3．测量太阳能电池输出特性按图 3 接线，将单晶硅太阳能电池板安装到支架上，并将滑动支架固定在导轨上某一个位置（如 20cm） ，在一定光照强度下，以电阻箱作为太阳能电池负载。通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压 U 和电流 I, 并计算输出功率 PU I ，根据数据作太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线， 并与图 4 比较， 找出最大功率点， 对应的电阻值即为最佳匹配负载， 分别计算太阳能电池的填充因子和转换效率。 注 入射到太阳能电池板上的光功率 PinI S， I 为光强， S 为太阳能电池板面积， S2.5 10-3m2。电压（ V） -7.5 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.6 2.8 2.9 3.0 3.1 电流mA 单晶-0.43 -0.365 -0.265 -0.183 -0.128 -0.08 -0.047 -0.023 0 0.009 0.028 0.069 0.157 0.369 0.905 2.4 7.9 19.3 54.4 90.2 2.94 108.9 多晶-1.863 -1.432 -0.886 -0.554 -0.146 -0.122 -0.05 -0.002 0 0.014 0.039 0.093 0.212 0.495 1.194 3.1 10.2 25.9 66.2 103.3 2.92 104.7 非晶-0.284 -0.219 -0.135 -0.086 -0.058 -0.038 -0.023 -0.010 0 0.005 0.009 0.013 0.019 0.029 0.113 0.736 2.3 3.8 5.6 6.6 7.8 9.1