太阳能电池基本特性测定

太 阳 能 电 池 基 本 特 性 测 定目前人类所消耗的能源的 70％来自煤、石油、天然气等化石燃料，在现有技术条件下，化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害，使人类生存空间受到了极大的威胁。科学家预言，尽管化石燃料能源未来仍将占有相当大比重，但其一统天下的局面将逐渐结束（地球上２亿年形成的化石燃料，大体只够人类使用 300 余年） ， 可再生的清洁能源可望撑起未来世界能源供给的半壁江山。太阳能的利用和研究是 21 世纪新型能源开发的重点课题之一。 太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、 “绿色”能源。因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。一 、 实 验 目 的1、学习掌握硅光电池的工作原理。2、学习掌握硅光电池的基本特性及其测试方法。3、了解硅光电池的基本应用。二 、 实 验 仪 器1. 光功率计 2. 测试仪 3. 光源 4. 光电二极管（用专用连接线与光功率计相连接）5. 样品架（用于放置光电二极管传感器，以及待测太阳能电池样品，含遮光罩）6. 导轨 7. 单晶硅样品 7. 多晶硅样品图 1 太阳能电池特性测试仪1 1、太阳能电池 单晶硅和多晶硅各 1 块 60 60mm2，有效面积 50 45mm2，开路电压不低于 4V，闭路电流不小于 15mA； 2、光功率计 三位半数显，量程200uw、 2mw和 20mW三档，数字按键档位切换；光功率计传感器采用高灵敏度光电二极管； 3、精密电阻负载 0～ 99999.9 Ω ； 4、测试仪 电压表 2.000V和 20.00V 两档； 电流表 2.000mA和 200.0mA两档； 0-5V 可调直流电源， 带限流输出功能； 5、光源功率 100W； 6、导轨长 75cm；三 、 实 验 原 理太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压 U 与通过电流 I 的关系式为1 Uo eII 1 1式中， Ｉ 为通过二极管的电流， oI 和 是常数， oI 为反向饱和电流。由半导体理论， 二极管主要是由能隙为 EC－ EV的半导体构成， 如图 2 所示。EC 为半导体电带， EV 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。ECEV导电带价电带能隙光子空穴电子假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源） 、一个理想二极管、一个并联电阻 RSh与一个电阻 RS所组成，如图 3 所示。图 3 中， I Ph为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流， I d 为光照时 , 通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得0 shdphs RIIIUIR 2 （ 2）式中， I 为太阳能电池的输出电流， U为输出电压。由（ 1）式可得，dshphshs IRUIRRI 1 3 图 2 半导体能隙结构示意图2 I phI dIph-I d RsRshIRL-U假 定 RSh∞ 和 RS0， 太 阳 能 电 池 可 简 化 为 图 4 所 示 电 路 。 这 里 ，10 Uphdph eIIIII 。 在短路时， U＝ 0， scph II ； 而在开路时， I ＝ 0，010 ocUsc eII ；所以]1l n [10IIU scOC 4 （ 4）式即为在 RSh∞和 RS0 的情况下，太阳能电池的开路电压 UOC和短路电流 I SC的关系式。其中 UOC为开路电压， I SC为短路电流，而 0I 、 是常数。当太阳能电池接上负载时，负载 R 从零变到无穷大的过程中，使太阳能电池达到最大输出功率 m m mIP U 时，式中 mI 和 mU 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将 mP 与 I SC 和 OCU 的乘积之比定义为填充因子 FF ，msc ocPFFI U 5 填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参 , FF 越大则输出功率越高。四 、 实 验 内 容 与 步 骤1、硅光电池伏安特性测量。在没有光照（全暗，即用遮光罩罩住样品）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的 U－ I 特性（直流偏压从 0～ 3.0V） 。画出 U-I 曲线，求出 和 0I 。测量电路如图 5 所示， 注意不要正负极性接错 （ D代表太阳能电池， R1000I phI d IU图 4 太阳能电池简化模型图 3 太阳能电池理论模型3 Ω 为负载电阻， ε 为可调直流电压源） 。 正向偏压从 0～ 3.0V 条件下， 测量结果记录在数据表格 1 中。2、硅光电池负载特性测试。在不加偏压时，用光源照射，保持白光源到太阳能电池距离 20cm，测量电池在不同负载电阻下太阳能电池的输出 I 与输出电压 U特性。测量结果记录在原始数据表格 2 中。3、太阳能电池的光照效应与光电性质测量。取太阳能电池与白光源水平距离 20cm为起始位置， 用光功率计测量该处的光功率 P0，光强度为标准强度 J0；改变太阳能电池到光源的距离 X, 用光功率计测量 X处的光功率 P，光强度为 J，光的相对强度为 J/ J 0，也即 P/P0，可以得到光功率 P与位置 X的关系。 测量太阳能电池在不同光功率条件下对应应的 I SC和 UOC的值。测量结果记录在数据表格 3 中。五 、 实 验 数 据 记 录 与 处 理1. 硅光电池伏安特性测量。 画出 U-I 曲线，利用最小二乘法求出 和 0I 。表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压 U1V 时的伏安特性测量（ R1000Ω ）U1V UV IuA U1V UV IuA 1.7 2.3 1.8 2.4 1.9 2.5 2.0 2.6 2.1 2.7 2.2 2.8 图 5 太阳能电池伏安特性测量电路图4 2. 硅光电池负载特性测试。画出 U－ I 曲线图 , 求出短路电流 I SC和开路电压 UOC；画出太阳能电池的输出功率 PU*I 和电压 U 的关系，求出太阳能电池的最大输出功率 Pmax及相应电压；计算填充因子 msc ocPFFI U 。表 2 光照情况下太阳能电池在加负载时的伏安特性测量RΩ IuA UV PmW RΩ IuA UV PmW 200 5000 600 5400 1000 5800 1400 6200 1800 6600 2200 7000 2600 7400 3000 7800 3400 8200 3800 8600 4200 9000 4600 9400 3. 太阳能电池的光照效应与光电性质测量。 1 描绘 I SC和光功率 P之间的关系曲线， 2 描绘出 UOC和光功率 P 之间的关系曲线 . 并利用最小二乘法拟合短路电流 I SC和开路电压 UOC 与光功率 P关之间的近似函数关系式。表 3 太阳能电池的光电特性测量数据x/cm UV IuA U1V UV IuA 光强 JX 2.3 JX/J 0 2.4 I SCmA 2.5 UOCV 2.6