太阳电池伏安特性的研究及其应用

1 宁 夏 大 学电磁学实验课程综合设计研究性实验报告（ 2012～ 2013 学年第二学期）题目： 太阳电池伏安特性的研究及其应用院（系） ：物理电气信息学院专业班级：应用物理班班学 号： 12012241921 学生姓名：魏少华分 数：教师签字：2013 年 06 月 18 日1 太阳电池伏安特性的研究及其应用摘 要 : 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件，主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。太阳电池最初为空间航天器使用，空间航天器用单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在 10 欧 · 厘米以上的 P 型单晶硅，包括 p-n 结、电极和减反射膜等部分，受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。 单体电池尺寸从 2× 2厘米至 5.9 × 5.9 厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换效率为 20%以上 ，实际已达到 15%以上关键词：光能转换成电能 应用广泛 环保 可持续1. 引言太 阳 电 池 发 展 历 史 可 以 追 溯 到 1839 年 ， 当 时 的 法 国 物 理 学 家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应（ Photovoltaic effect） 。直到1883 年，第一个硒制太阳电池才由美国科学家 Charles Fritts 所制造出来。在 1930 年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。中国第一个太阳电目录1 1. 引言 ………………………………………………………………………… .1 2. 太阳电池的应用 …………………………………………………………… 3 2.1 太阳电池应用的领域…………………………………………………… 错误！未定义书签。2.2 太阳电池应用的现状 . 错 误！未定义书签。3. 太阳电池的伏安特性 . 错误！未定义书签。3.1 实验目的 . 错 误！未定义书签。3.2 实验原理 . 错 误！未定义书签。4. 数据处理 . 错误！未定义书签。4.1 作图 . 错 误！未定义书签。4.2.1. 实验总结 . 错 误！未定义书签。4.2.2 误差分析 . 错 误！未定义书签。参考文献 . 错误！未定义书签。2. 太阳电池的应用太阳电池板应用的领域：1 1.用户太阳能电源： （ 1）小型电源 10-100W 不等，用于边远无电地区如高原、 海岛、 牧区、 边防哨所等军民生活用电， 如照明、 电视、 收录机等； （ 2）3-5KW 家庭屋顶并网发电系统； （ 3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。2. 交通领域：如航标灯、交通 /铁路信号灯、交通警示 /标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路 /铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。3. 通讯 /通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播 /通讯 /寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵 GPS供电等。4. 石油、 海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象 /水文观测设备等。5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。6.光伏电站： 10KW-50MW 独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。7.太阳能建筑： 将太阳能发电与建筑材料相结合， 使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。8.其他领域包括： （ 1）与汽车配套：太阳能汽车 /电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等； （ 2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统； （ 3）海水淡化设备供电； （ 4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。太阳能电池应用现状据 Dataquest的统计资料显示， 全世界共有 136 个国家投入普及应用太阳能1 电池的热潮中，其中有 95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发，积极生产各种相关的节能新产品。 1998 年，全世界生产的太阳能电池，其总的发电量达 100 光伏发电0 兆瓦， 1999 年达 2850 兆瓦。根据欧洲光伏工业协会 EPIA2008 年的预测，如果按照 2007 年全球装机容量为 2.4GW 来计算， 2010 年全球的年装机容量将达到 6.9GW,2020 年和 2030 年将分别达到56GW 和 281GW， 2010 年全球累计装机容量为 25.4GW， 预计 2020 年达到278GW， 2030 年达到 1864GW。 全球太阳能电池产量以年均复合增长率 47%的速度迅猛增长， 2008 年产量达到 6.9GW。 [8]许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在 21 世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。 NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、 PVMaT、光伏组件以及系统性能1 太阳能电池汽车和工程、 光伏应用和市场开发等 5 个领域开展研究工作。美国还推出了 “太阳能路灯计划 “,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太阳能 “7 万套工程计划 “， 日本准备普及的太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电 3000 瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的 “尤里卡 “高科技计划， 推出了 “10 万套工程计划 “。 这些以普及应用光电池为主要内容的 “太阳能工程 “计划是推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。日本、韩国以及欧洲地区总共 8 个国家决定携手合作，在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站，他们的目标是将占全球陆地面积约 1/4 的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为 30 万用户提供 100 万千瓦的电能。计划将从 2001 年开始，花 4 年时间完成。美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为 7MW，日本也建成了发电功率达 1MW 的光伏发电厂。全世界总共有 23 万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。20 世纪 90 年代以来， 全球太阳能电池行业以每年 15%的增幅持续不断地发展。据 Dataquest发布的最新统计和预测报告显示，美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资， 1998 年达 570亿美元； 1999 年646 亿美元； 2000 年 700 亿美元； 2001 年将达 820 亿美元； 2002 年有望突1 破 1000 亿美元中国太阳能电池现状中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视，早在七五期间，非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题；八五和九五期间，中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。 2003 年 10 月， 国家发改委、 科技部制定出未来 5 年太阳能资源开发计划， 发改委 “光明工程 “将筹资 100 亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到 2015 年全国太阳能发电系统总装机容量达到 300 兆瓦。中国已成为全球光伏产品最大制造国，中国即将出台的 《新能源振兴规划》 ， 中国光伏发电的装机容量规划为 2020 年达到 20GW，是原来《可再生能源中长期规划》中 1.8GW 的 10 多倍。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多晶硅太阳能电池用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。据专家预测，中国光伏市场需求量为每年 5MW,2001～ 2010 年，年需求量将达 10MW ，1 从 2011 年开始，中国光伏市场年需求量将大于 20MW 。国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的 25%左右。在太阳能电池材料下游市场，国内生产太阳能电池的企业主要有宏威集团、无锡尚德、海润光伏、南京中电、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、苏州阿特斯、常州天合、拓日新能、云南天达光伏科技、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在 800MW 以上。2009 年，国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩，实际业界人并不认可，科技部已经表态，多晶硅产能并不过剩 [3]。太阳能电池发展前景太阳能电池的应用已从军事领域、天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在现阶段，它的成本还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要 10 年左右时间，使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多，1 环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产。我国各地大上单晶硅及单晶硅电池生产线。据业界老大施正荣先生答记者透露， 2008 年大陆光伏电池产量占全球总量 30%，中国光伏产业连续两年成为世界第一。然而，我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术虽然很成熟，然而还在不断发展，其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距，光伏电池市场主要靠各国政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电 1 元以上。今后，要使光伏电池大规模应用，必须不断改进光伏电池效率和生产成本，在这个过程中，生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短，仅 3－ 5年。光伏电池生产企业投资大，回收周期长，由于技术更新快，国内企业，如果不掌握技术，及时更新技术，就会很快被淘汰，很可能不能收回投资。[9]但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光 — 电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。太阳电池伏安特性的研究【实验目的】1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1．太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图 1 所示．晶体硅太阳电池以硅1 半导体材料制成大面积 pn 结进行工作．一般采用 n+/p 同质结的结构，即在约 10 cm× 10 cm 面积的 p 型硅片（厚度约 500 μ m）上用扩散法制作出一层很薄（厚度 ~0.3 μ m）的经过重掺杂的 n 型层． 然后在 n 型层上面制作金属栅线， 作为正面接触电极． 在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．图一 太阳电池结构示意图2．光伏效应图二 太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的 pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度 Eg ，则在 p 区、 n 区和结区光子被吸收会产生电子 – 空穴对．那些在结附近 n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离 pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在 p 区与 n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电1 荷间形成一电场，电场方向由 n区指向 p 区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子 （空穴） 在内建电场的作用下被拉向 p 区． 同样，如果在结附近 p 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向 n 区．结区内产生的电子 – 空穴对在内建电场的作用下分别移向 n 区和 p 区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在 pn 结附近，使 p 区获得附加正电荷， n 区获得附加负电荷，这样在 pn 结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（ Photovoltaic Effect, 缩写为 PV）．3．太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由 n 区到 p 区的光生电流 Iph．同时，由于 pn 结二极管的特性，存在正向二极管电流 ID，此电流方向从 p 区到 n 区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流 I 为（ 1）式中 VD 为结电压， I0 为二极管的反向饱和电流， Iph 为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的． n 称为理想系数（ n 值），是表示 pn 结特性的参数，通常在 1~2 之间． q 为电子电荷， kB 为波尔茨曼常数， T 为温度．如果忽略太阳电池的串联电阻 Rs， VD 即为太阳电池的端电压 V，则（ 1）式可写为1 （ 2）当太阳电池的输出端短路时， V = 0（ VD ≈ 0），由（ 2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时， I = 0，由（ 2）和（ 3）式可得到开路电压（ 3）当太阳电池接上负载 R 时，所得的负载伏 – 安特性曲线如图 2 所示．负载 R 可以从零到无穷大．当负载Rm 使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率 Pm 为（ 4）式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将 Voc 与 Isc 的乘积与最大功率 Pm 之比定义为填充因子 FF，则（ 5）FF 为太阳电池的重要表征参数， FF 愈大则输出的功率愈高． FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．太阳电池的转换效率 η 定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能 Pin 之比，即1 （ 6）图三 太阳电池的伏 – 安特性曲线4．太阳电池的等效电路图四 太阳电池的等效电路图太阳电池可用 pn 结二极管 D、恒流源 Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻 Rs 和相当于 pn 结泄漏电流的并联电阻 Rsh 组成的电路来表示，如图 3 所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（ 7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻 Rs，增大并联电阻 Rsh．1 【实验数据记录、实验结果计算】◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：太阳电池伏安特性实验数据记录及数据处理表60cm 80cm I/mA V/V R/Ω P/AV I/mA V/V R/Ω P/AV 75.9 0 0 0 53.4 0.00 0 0 75.1 0.88 11.72 0.66 52.7 0.67 12.71 0.04 74.8 2.38 31.82 1.78 52.3 1.01 19.31 0.05 73.7 3.72 50.47 2.74 50.7 1.85 36.49 0.09 72.8 4.62 63.46 3.36 49.1 2.84 57.84 0.14 71 5.88 82.82 4.17 48.8 3.54 72.54 0.17 69.5 6.81 97.99 4.73 48.3 4.32 89.44 0.21 69 7.01 101.59 4.84 47.5 4.83 101.68 0.23 53.1 12.14 228.63 6.45 41.8 8.71 208.37 0.36 35.4 14.3 403.95 5.06 33.6 12.24 364.29 0.41 26.7 15 561.80 4.01 21.9 14.2 648.40 0.31 21 15.4 733.33 3.23 14.5 15.4 1062.07 0.22 17.7 15.5 875.71 2.74 12.3 15.7 1276.42 0.19 14.4 15.7 1090.28 2.26 10.1 16.1 1594.06 0.16 0 16.58 0 16.4 0.00 80cm串联 80cm并联I/mA V/V R/Ω P/AV I/mA V/V R/Ω P/AV 54.2 0 0 0 107.6 0 0 0 53.2 0.4 7.52 0.02 106.6 0.92 8.63 0.10 53 1.1 20.75 0.06 102.6 2.45 23.88 0.25 52.8 2.2 41.67 0.12 99.6 4.13 41.47 0.41 52.7 2.3 43.64 0.12 95.2 6.22 65.34 0.59 52 3.87 74.42 0.20 91.2 7.64 83.77 0.70 51.6 4.76 92.25 0.25 86.2 9.06 105.10 0.78 47.8 10.6 221.76 0.51 61.7 13.03 211.18 0.80 44.5 16.86 378.88 0.75 38 14.6 384.21 0.55 40.2 21.1 524.88 0.85 27.2 15.05 553.31 0.41 33.1 26.4 797.58 0.87 21.7 15.23 701.84 0.33 36 25.5 708.33 0.92 17.9 15.36 858.10 0.27 27 27.2 1007.41 0.73 14.2 15.48 1090.14 0.22 0 31.4 0 15.92 1 1 1 1 1 对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：1. 光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界） ；2. 研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；3. 研究电池电阻的大小，在 I-V 图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界） ，光照强度越大，电池的电阻越大。4. 研究电池的短路电流 （这里以图中的各个最大电流作为短路电流） ， 电池的并联使 得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联的原因） ； 光照强 度越大， 短路电流越大， 光照强度越小， 短路电流越小 （从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从而决定了短路电流和电动势的大小） 。◆各个条件下输出功率 P 随负载电压 V的变化曲线图的分析与讨论1. 虽然各个曲线不是特别平滑， 但对于最大输出功率的测量还是很成功的，因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。1 2. 研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串联还是并联）都会提高电池总输出功率；光照强度越大，输出功率也越大，光照强度越小，输出功率也越小。3. 研究达到最大功率时的电压 ， 从图中可以看出： 光照强度越大，也就越大，光照强度越小， 相对偏小；电池并联对 的改变不大，而电池串联会明显加大 （个人认为这跟电池电阻在总电路中的比重有关） 。◆各个量的统计/mA /V /mW /mA /v / 欧 FF 60cm 112.1 9.68 410.2 57.7 7.11 123.2 0.378 80cm 86.1 8.99 266.7 45.2 5.90 130.5 0.345 80cm串联 62.7 18.69 556.5 37.1 15.0 404.3 0.475 80cm并联 140.8 9.36 552.1 76.9 7.18 93.4 0.419 1. ；分析：1. 从测得的 FF数据可以看出，太阳能电池的填充因子并不大，这也使得太阳能电池的实际转换效率比较低，所以提高 FF 是太阳能电池研发的一个重要方向；1 2. 从 的比较可以看出，光照越强，则 偏小，但应该有一个下界，串联使得 大大增大，而并联使得 有所减小；3. 关于 和 的比较已在前面做出了分析。结束语先来说说自己在做这个实验时的情况吧。我不敢说我做实验是不是有一种什么状态在影响我（想运动员的状态起伏一样），但今天的实验状态真的不是很好。自己到了实验室才发现自己精心做的实验预习报告丢在了寝室，不得不出去再打印一份。在老师讲解实验的各个细节时，我承认自己也没有专心听讲，虽然自己预习了这个实验，但是由于没专心听讲，导致我们小组在实验开始时不知所措。后来我们加快了进度，并与对面的小组一起做了电池的串联和并联环节。最后为了得到最好的数据，我们小组又重做了 60cm和 80cm。但是我们忘记了实验的一个重要的细节，就是 的直接测量。参考文献[1] 洪瑞江 ,沈辉 . 薄膜太阳电池的研发现状和产业发展 [J]. 中国材料进展 . 2009(Z2) [2] 黄庆举 ,林继平 ,魏长河 ,姚若河 . 硅太阳能电池的应用研究与进展[J]. 材料开发与应用 . 2009(06) [3] 梁宗存 ,沈辉 ,许宁生 . 晶体硅薄膜电池制备技术及研究现状 [J]. 材料科学与工程学报 . 2003(04) [4] 周水生 ,董建明 ,李艳芝 . 浅谈太阳能硅电池的研究与发展 [J]. 煤 . 2010(04) 1 [5] 孙洪福 ,汤华娟 ,王承遇 ,柳鸣 . 玻璃基片硅薄膜太阳电池的制备与研究现状 [J]. 材料导报 . 2003(S1) [6] 陈新亮 ,薛俊明 ,赵颖 ,耿新华 . 太阳电池用绒面 ZnO-TCO 薄膜制备技术及特性的研究进展 [J]. 材料导报 . 2009(09) [7] 梁宗存 ,沈辉 ,李戬洪 . 太阳能电池及材料研究 [J]. 材料导报 . 2000(08) [8] 李丽 ,张贵友 ,陈人杰 ,陈实 ,吴锋 . 太阳能电池及关键材料的研究进展 [J]. 化工新型材料 . 2008(11 4. 最后，我由衷地感谢助教老师在实验中给我的各种帮助！1