2015半导体物理实验七-太阳能电池

太阳能电池电参数测量实验指导一、实验目的1、了解太阳能电池的基本结构和工作原理；2、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法；3、通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，理解实验数据与理论结果间不完全一致的原因；二、实验原理1、光生伏特效应常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的 pn 结，如图 1 所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。 pn 结是典型的一个例子。N 型半导体材料和 p 型半导体材料接触形成 pn 结。 pn 结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的， pn 结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。根据半导体物理学的基本原理我们知道， 处于热平衡态的一个 pn 结结构由 p 区、 n区和两者交界区域构成。为了维持统一的费米能级， p 区内空穴向 n 区扩散， n 区内空穴向 p 区扩散。这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏， p 区积累了带有负电的不可动电离受主， n 区积累了不可能电离施主。 载流子扩散运动的结果导致 p 区负电，n 区带正电，在界面附近区域形成由 n 区指向 p 区的内建电场和相应的空间电荷区。显图 1 Si pn 结太阳能电池结构示意图1 然， 两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因， 电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。 而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度， 内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。 当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等， p 区和 n 区两端产生一个高度为 qVD 的势垒。理想 pn 结模型下，处于热平衡的pn 结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用。如图 2 所示，当有入射光垂直入射到 pn 结，只要 pn 结结深比较浅，入射光子会透过 pn 结区域甚至能深入半导体内部。如果如何光子能量满足关系 gEh （ Eg 为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材料本征吸收，在 pn 结中产生电子孔穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。 光生载流子对p 区空穴和 n 区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计。但是对少数载流子将产生显著影响， 如 p 区电子和 n 区空穴。 在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。在 pn 结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场。内建电场的驱动下 p 区光生少子电子向 n 区运动， n 区光生少子空穴向 p 区运动。 这种作用有两方面的体现， 第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流， 这就是光生电流， 它由电子电流和空穴电流组成， 方向都是由 n 区指向 p 区，与内建电场方向一致；第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度， pn 结势垒高度降低，甚至会完全消失。宏观的效果是在 pn 结两端产生电动势，也就是光生电动势。上述的分析我们发现光照射 pn 结会使得 pn 结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在 pn 结两端施加正向电压。这种情况下的 pn 结就是一个光电池。开路下 pn结两端的电压叫做开路电压 Voc， 闭路下这种 pn 结等价于一个电源， 对应的电流 Isc称为闭路电流。光生伏特效应是太阳能电池的核心原理，它的机制就是光能转化为电能，开路电压和闭路电流是两个基本的参数。图 2 中 EC为半导体电带， EV为半导体价电带。2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系－（暗特性）太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个 pn 结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。简单的处理方式是把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想 pn结。其电流电压关系为肖克莱方程：]1)[exp(0TkeVIIs其中 )( 00pnpnpnss LpeDLneDAAJI 为反向饱和电流。 A、 D、 n、 p 和 L 分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件太阳能电池 IV 曲线不对称，这就是 pn 结的单向导通性或者说整流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。温度对半导2 体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为：)exp(~)(02322/1TkETNnDeJ gAinns由此可见随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子 )exp(0TkEg迅速增大。且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。半导体材料禁带宽度是温度的函数 TEE gg )0( ，其中 )0(gE 为绝对零度时候的带隙宽度。设有 0)0( gg eVE ， Vg0 是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为：])(exp[0023TkVVeTAJI g显然正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系（光特性）光生少子在内建电场驱动下定向的运动在 PN 结内部产生了 n 区指向 p 区的光生电流 IL，光生电动势等价于加载在 pn 结上的正向电压 V，它使得 PN 结势垒高度降低 qVD－ qV。开路情况下光生电流与正向电流相等时， pn 结处于稳态，两端具有稳定的电势差 VOC，这就是太阳能电池的开路电压 Voc。如图 3 所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过 pn 结，显然 pn 结相当于一个电源。光电流 IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使 pn 结正偏。如图 3 所示，正偏电压产生正偏电流 IF。在反偏情况下， pn 结电流为)]1[exp(0TkeVIIIIISLFL随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，因此太阳能电池的电流总是反向的。图 3 太阳能电池等效电3 图 4 太阳能电池最大功率根据图 3 的等效电路图。 有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻 RL＝ 0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零， pn 结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流 Isc。I=ISC=IL其二是负载电阻 LR ，外电路处于开路状态。流过负载电阻电流为零，根据等效电路图 3，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压 Voc 就是所谓的开路电压。显然有)]1[exp(00TkeVIIISL得到开路电路电压 VOC为)1ln(0SLOC IIeTkV开路电压 Voc 和闭路电路 Isc是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池 IV 特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大， 确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路 Isc正比于入射光强度，开路电压 Voc 随着入射光强度对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc 不会随着入射光强度增大而无限增大的， 它的最大值是使得 pn 结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为 pn 结的势垒高度 VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。4、太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。 根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是 100％。就太阳能电池而言，我们需要4 知道转化效率和哪些因素有关， 如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。 太阳能电池的转换效率 定义为输出电能 Pm 和入射光能 Pin 的比值：%100%100inmminmpVIpp其中 mmVI 在 I－ V 关系中构成一个矩形， 叫做最大功率矩形。 如图 4 光特性 I－ V 曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点 pm 的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是 I－ V 曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形， 面积为 IscVoc， 定义ocscmmVIVI 为占空系数， 图形中它是两个矩形面积的比值。 占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量， 通常的占空系数在 0.7～ 0.8 之间。太阳能电池本质上是一个 pn 结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。 Si 太阳能电池的最大效率大致是 28％左右。 对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在 10％～ 15％之间。为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率， 可能采取的办法中通过光学透镜集中太阳光是有效的。太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大。 不过具体的理论分析发现， 太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大。 但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉， 因为透镜集中也是一个有优势的技术选择。图 5 实测太阳能电池暗特性曲线图 5 给出了对某种商用太阳能电池板室温下（ 25℃）实际测量得到的暗特性 I－ V曲线。5 图 6 实测太阳能电池光特性曲线图 6 是对某种商用太阳能电池板室温下（ 25℃）、 150W 氙灯光源直接照射下得到的光特性 I－ V 曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图。三、实验设备本实验选用杭州大华仪器制造有限公司生产的 DH6521A型多功能太阳能电池综合特性测试仪，设备结构如图 7 所示。设备包括光源与太阳能电池、光路和温度控制装置外电路三个部分。1、光源与太阳能电池部分采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源标称功率150W 出射光孔径为 50mm，图 8 为氙灯电源，氙气灯作为光源也可以用作其它实验的研究；太阳能电池采用普通商用单晶 Si太阳能电池，实物如图 9 所示，标称开路电压4.5V，受光面积 43mm× 43mm。老师也可以研究多晶、非晶、纳米等太阳能电池的基本特性。图 7 设备结构示意图2 光路 4 滤色片 5 温度控制箱3 凸透镜1 氙灯6 图 8 氙灯电源面板图 图 9 单晶硅太阳能电池板2、光路部分本设备光路由有效通光孔径 Φ 56mm的准直透镜、 组合式滤色片组成。 准直透镜用于产生平行入射光束，光强度部分通过调节氙灯电压来实现，通过波长分别为 365nm、405nm、 436nm、 546nm、 577nm 的滤色片用于产生近似的单色光来研究太阳能电池的光谱响应特性。各部分均可以调节至实验所需要的最佳位置，调节凸透镜时，须先将氙灯应与光路部分对接，再将氙灯点亮，用万用表监视信号输入 /输出口（为太阳能电池的输出口）的电源输出值，凸透镜起始位置在靠近光源处（入光口），当凸透镜调至某一合适位置，其输出电压值为最大，此时，该位置便为最佳位置。实验时，便不要再去移动凸透镜。滤色片的位置靠近太阳能电池处（出光口）。3、温度控制及外电路电源本设备包括温度控制装置和直流电源， 温度控制装置图 10， 温度控制箱面板图 11，Pt100 温度变换器图 12，直流电源面板图 13。图 10 温度控制装置面板示意图 图 11 温度控制箱面板示意图图 12 Pt100 温度变换器示意图 图 13 直流电源面板示意图7 温控部分的加入主要是用来研究温度对太阳能电池特性的影响。温度可在室温～80℃间选择，加热电流可调。太阳能电池特性测试部分包括太阳能电池暗特性、 光特性的测试。暗特性测试电压范围 0～ 30V 用于暗特性的正偏、反偏测试。光特性测试中电流表量程 2A，最小电流分辨率 1μA ，电压量程 30V，最小电压分辨率 0.01V。负载电阻变化范围 99999.9Ω 。四、实验内容与步骤连接好氙灯箱电源线（在箱后侧）；将多功能太阳能电池综合特性测试仪设备（黑色） 输出Ⅰ与氙灯箱上的输出Ⅰ对应，该路为氙灯电源；输出Ⅱ与氙灯箱上的输出Ⅱ对应，该路为风扇电源 -AC 220V。在打开电源之前，一定要检查输出Ⅱ是否已经接好 ,并将光强调节拧到最大，否则难以触发氙灯。如果风扇不能正常工作，请立即关闭电源，以免内部因温度过高烧坏灯泡。 实验完毕之后，拔出输出Ⅰ端的电源线，输出Ⅱ保留着，让风扇继续工作，有利于氙灯均匀降温。温度控制装置 DH6521A Pt100(Ⅰ )输出端（两芯航空座）与右边的 Pt100(Ⅰ )口（两芯航空座）相对应， 后侧有一根输出线与太阳能加热电源连接， 按住温度控制装置DH6521A 温控表头上的 SET键一次， 数码管显示会处于闪烁状态， 可以进行温度设置 （设定最高温度） ， 按 移位键， 再按设置键 进行温度增加或者减小， 最小分辨率为 1℃，注意：加热温度不宜设置过高，一般不超过 100℃，以免对加热设备造成毁灭性损坏。数码管显示的是加热箱里的内部温度， 但不是我们太阳能电池里面的空腔温度，其温度值只作为参考用。加热时， 可以增大加热电流 ，以缩短加热时所需的时间；右边的Pt100(Ⅱ )口接在 Pt100 温度变换器 IN 端， OUT输出的为电压值， 用万用表进行测量， 1℃=10mV。 右边的信号输入 / 输出口，为太阳能电池的输出口，在做暗特性实验时，直流电源信号从此信号口输入，做光照特性时，太阳能电池电压信号从此信号口输出。8 1、太阳能电池暗特性测试特性测试不需要开启光源。 按图 14 连接电路。 注意：测试反偏电压 V 下通过太阳能电池的电流 I，电压范围 -30～ 0 V；测试正向偏压下通过太阳能电池的电流 I，电压范围 0～ 30V。 (通过极性切换开关，可以得到极性相反的电压。 ) 汇总测试数据形成 I－ V 特性曲线。根据实验时间安排测量不同温度下的特性曲线。根据理想 pn 结电流电压方程对正偏实验数据进行拟和。 （只测试一个温度下的特性曲线即可）测试中根据数据点规律适当分配数据点密集程度。实验测试电路如图 14 所示：图 14 暗特性实验电路图说明 ： D 为太阳能电池暗特性时的表示符号， 接信号输入、输出口（三芯航空座，四根线，红色为正，黑色为负）； R为电阻箱（ 0Ω ~111.111kΩ ）； E为外接直流电源（极性可以切换）； V、 mA 均为四位半数字万用表。2、太阳能电池光照特性测试2.1 光照特性实验时，先进行光路部分的高度调节：接好氙灯电源的连接线，打开氙灯电源，可以看到有一束光射进箱内，先将凸透镜与入光口的高度保持一致，再调节滤色片的高度与出光口的高度一致；2.2 光路最佳位置的调节：按图 14 实验电路图接线，将电阻箱开路，微调凸透镜的前后左右位置，使其输出数字万用表的电压值显示为最大， （实验时电压一直在变化？） 滤色片位置可以不变，即贴在出光口上。加热部分有三个可用来调节水平的铜质螺钉，其作用可使加热箱能与光路箱紧贴。2.3 光照实验内容9 （ 1） 按图 15 连接电路， 不加载滤色片、光强度最大条件下通过改变负载电阻来测试太阳能电池 I－ V 特性曲线，汇总数据形成 I－ V 特性曲线，然后根据特性曲线求解出开路电压 Voc、闭路电流 Isc；最大功率约在 1500Ω 左右；（ 2） （选做） 不加载滤色片，在两种不同光强下测量 I－ V 特性，得到不同光强下的 I－ V 特性曲线、开路电压、闭路电流数据；最大功率约在 2K-2.5KΩ 左右；（ 3） （选做） 最大光强下，加载不同滤色片，测量 I－ V 特性，得到不同单色光照情况下的 I－ V 特性曲线、开路电压、闭路电路数据； 365nm 最大功率约在 70KΩ 左右，405nm 最大功率约在 5KΩ 左右， 436nm 最大功率约在 70KΩ 左右， 546nm 最大功率约在 6KΩ 左右， 577nm 最大功率约在 5KΩ 左右；（ 4） （选做） 不同温度下 (包括升温和降温实验 )的重复（ 1）得到不同温度下 I－ V特性曲线、开路电压、闭路电流数据。（ 5）数据采集部分详细操作在软件的帮助说明文件里面。对比光强度、滤色片、温度对太阳能电池的 I－ V 特性的影响，根据 I－ V 曲线计算出不同测量参数下的最大功率矩形的值，进而计算出占空系数。实验测试电路如图 15 所示：图 15 光照特性实验电路图说明： S为太阳能电池在光照条件下的表示符号， V、 mA 均为四位半数字万用表， R为 0～ 99999.9Ω (型号 ZX21-HZDH)可调电阻箱，如图 16。10 图 16 电阻箱图 17 实验仪器尺寸图五、问题1、太阳能电池的工作原理是什么？2、 为了得到较高的光电转化效率， 太阳能电池在高温下工作有利还是低温下工作有利？3、实验中太阳能电池表面不垂直入射光束，对实验会产生什么影响？4、为了尽可能提高太阳能电池的光电转换效率，太阳能电池表面应该怎么处理为好？5、不同单色光下太阳能电池的光照特性有什么变化？为什么？6、根据实验结果，日常使用太阳能电池应该注意哪些问题？11 六、注意事项1、各氙灯光源、信号源、光路（包括凸透镜、滤色片等）和加热部分等，在实验完毕之后，应置于通风、干燥的地方；2、实验操作时，要注意轻拿轻搬轻放，切不可用力过猛，造成设备损坏，尤其是氙灯灯泡；3、 加热箱里的太阳能电池板表面在实验前须进行检查， 对表面进行擦拭， 以保持电池板表面清洁，使实验得以顺利进行，除此之外，加热箱入光处的石英玻璃也要保持清洁，最好也在实验之前进行擦拭；4、 加热箱里装的是单晶硅太阳能电池板， 另配有一块多晶硅太阳能电池板， 请妥善保存， 在做多晶硅太阳能电池板实验时， 请卸下与加热箱相连的 （最外面的） 四个螺丝，再将其缓慢抽出，拔掉后面的电气连接线，再拔出电池板，装上多晶硅电池板，四个固定脚没有方向，可任意插入，再将电气连接线接上。缓慢装入加热箱时，要注意不要压住 Pt100，以免造成其损坏。5、注意各设备的电源连接，实验完毕后断开电源开关。