实验3.12 太阳能电池特性研究

1、实验3.12太阳能电池特性研究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。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。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。因此，在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。【实验目的】1无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线。2测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功

2、率及填充因子ff。3测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。【实验仪器】光具座组件、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、硅光电池测试仪。【实验原理】太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，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。硅电池最稳定，而且光谱特性宽，主要波段在可见光范围。太阳电池从根本上讲，其结构和二极管相同，为p-n结。在p-n结内部存在从p指向n的内建电场。当光射入太阳电池内部后，处于空间电荷区的空穴-电子对获得光

3、能而被激发，得到自由的空穴和电子，在内建电场的作用下，空穴被拉向p极，电子被拉向n极，这样在pn节上产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。太阳能电池的工作原理就是基于光伏效应。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：（3-76）式（3-76）中，io和b是常数。由半导体理论，二极管主要由能隙为ec、ev的半导体构成，如图3-54所示。ec为半导体导电带，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。假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生

4、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3-55所示。 图3-54 图3-55图3-55中，iph为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，id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：（3-77）式（3-77）中，i为太阳能电池的输出电流，u为输出电压。由式（3-77）可得，（3-78）图3-56假定rsh=和rs=0，太阳能电池可简化为图3-56所示电路。这里，。在短路时，u=0，；而在开路时，i=0，； （3-79）式（3-79）即为在rsh=和rs=0的情况下，太阳能电池的开路电压uoc和短路电流isc的关系式。其中uoc为开路电压，

5、isc为短路电流，而i0、b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pm=imum时，式中im、um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将pm=imum与isc和uoc的乘积之比定义为填充因子ff，则（3-80）填充因子体现了太阳能电池的输出功率随负载的变动特性，是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数，ff越大则输出功率越高。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。太阳能电池的转换效率为即（3-81）【实验内容与步骤】1在没有光源（全黑）的条件下，将太阳能电池连入硅光电池测量仪的暗箱线路，插上电源，将硅光电池测量仪上的

6、开关打到暗箱线路，调节旋钮可改变负载电阻的大小，测量太阳能电池正向偏压时的iu特性（直流偏压从03.0v）。（1）画出测量线路图。（2）利用测得的正向偏压时iu关系数据，画出iu曲线并求得常数b和i0的值。2在不加偏压时，用白色光源照射，将太阳能电池连入硅光电池测量仪的光照线路，同时将硅光电池测量仪上的开关打到光照线路，调节旋纽可改变负载电阻的大小测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。（1）画出测量线路图。（2）测量电池在不同负载电阻下，i对u的变化关系，画出iu曲线图。（3）求短路电流isc和开路电压uoc。（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时的负载

7、电阻。（5）计算填充因子。3测量太阳能电池的光照效应与光电性质。在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源水平距离20cm的光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度j0；改变太阳能电池到光源的距离x，用光功率计测量x处的光照强度j，求光强j与位置x关系。测量太阳能电池接收到相对光强度j/j0不同值时，相应的isc和uoc的值。（1）描绘isc和相对光强度j/j0之间的关系曲线，求isc和与相对光强j/j0之间近似关系函数。（2）描绘出uoc和相对光强度j/j0之间的关系曲线，求uoc与相对光强度j/j0之间近似函数关系。【实验数据记录及处理】1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时的伏安特性u1/vu2/vi/ma2在不加偏压时，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量太阳能电池的输出电流对太阳能电池的输出电压的关系。太阳能电池在光照时，测量输出功率与负载电阻的关系。3测量太阳能电池isc和uoc与相对光强j/j0的关系。【注意事项】1连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。2避免太阳光照射太阳能电池。3连接电路时，保持电源