太阳能电池基本特性的测量(讲义)

1、太阳能电池基本特性的测量太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：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。本实验的目的主要是探讨太 阳能电池的基本特性，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。【实验目的】1.在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2.测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏

2、安特性曲线图，从图中求得它的短路电流(Isc)、开路电压(UOC)、最大输出功率Pm及填充因子FF,FF Pm/(ISC? UOC)。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3.测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流Isc和相对光强度J/J0之间关系，画出Isc与相对光强J/Jo之间的关系图；测量开路电压UOC和相对光强度J/Jo之间的关系，画出UOC与相对光强J/Jo之间的关系图。【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：I l?(eu1)(1)(1)式中，Io和是常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为EcEV的半导体

3、构成，如图 1 所示。Ec为圉丄电子和夸冗在电场的作用下产哇光申潼1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(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻 只前与一个电阻Rs所组成，如图2所示。I(1企Iph丄Id( 3)RshRsh为图3所示电路。这里，I G IdIphIo(eU1)。在短路时，U 0，IphIsc；而在开路时，I 0,lscI0(eUoc1)0；1 IscUOCT n产1( 4)I0和RS0的情况下，太阳能电池

4、的开路电压UOC和短路电流图2太阳能电池的理论模型电路图图2中，I”为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流,池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：Id为光照时通过太阳能电iRsU (IphIdi)Rsh0(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,假定Rsh和Rs0，太阳能电池可简化图3太阳能电池的简化电路图(4)式即为在 RSh2ISC的关系式。其中UOC为开路电压，Ise为短路电流，而I0【实验装置】光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1 只（用户自备）、电阻箱 1 只（用户自备）、白炽灯光源 1 只（射灯结构，功率4CW）、光功率计（带

5、3V直阳族特作实睑仅实物眼片SffiS说明流稳压电源）、导线若干、遮光罩 1 个、单刀双掷开关 1 个。【实验内容】1 在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I U特性（直流偏压从 0-3.0V ）（1）画出测量实验线路图。（2）利用测得的正向偏压时I U关系数据，画出I U曲线并求得常数 和|0的值。2 在不加偏压时，用白色光源照射，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）画出测量实验线路图。（2） 测量太阳能电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I U曲线图。（3）用外推法求短路电流|SC和开路电压UOC。（4）求太阳能电池的最大

6、输出功率及最大输出功率时负载电阻。（5）计算填充因子FF Pm/（lsC?UC）。3测量太阳能电池的光照特性：1白炽灯光原；丄光功率卄採头汕膺血內装应阳瞪电池;4一光功率什数显窟口炸光馴李计信号6.直澄卷压削醫（则验出呂也 化需块；乩丸眞座（导钛）；9.峑亲刺J#尺;血去学卷梨。是常数。3在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度Jo；改变太阳能电池到光源的距离x,用光功率计测量x4处的光照强度 J,求光强 J 与位置x的关系。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

7、/Jo之间的关系曲线，求Isc和与相对光强J/Jo之间近似关 系函数。(2)描绘出UOC和相对光强度J/Jo之间的关系曲线，求UOC与相对光强度J/Jo之间近似函数关系。【实验数据表格】1.在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的输出电压U。测量电路如图 5 所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳 能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1 所示：图5全暗时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性测量表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录项目次数R(k )U(V)UR(mV)I( A)Ini12345678盍阳能社池1-1-IK/

8、L一-fc- /1_V，电阻箱_ +JJL：_Err5若用户备有03.0V直流可调电源， 则可采用图 6 实验线路： 正向偏压在03.0V变 化条件下， 用R1000固定电阻取代电阻箱（但电阻值必须准确，否则计算电流值时 将有较大的误差，把测量结果记录到表2 中。n 12CO太阳能电池丫RT1000G-E / 0图6全喑时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性测量电瞎之二表 2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录Ui(V)U2(mV )I( A)由eU1，当U较大时，eU1，即In I U In I0，通过线性关系求出：，I。10的值。2.不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳

9、能电池距离20cm，测量太阳能电池的输出I对太阳能电池的输出电压U的关系，测量电路请自拟 。把测量结果记录到表3。表3恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录R()5(V)I(mA)P( mW)R()6(V)I(mA)P(mW)2004400300460040048006005000800550010006000120065006140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003测量太阳

10、能电池 be 和UOC与相对光强J/J。的关系，用光强计测定不同光源距离时的 光强值。短路电流可以直接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流 电压档量出。把测量结果记录到表4 中：表 4 太阳能电池Isc和UOC与相对光强J/Jo的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J0Ise(mA)UOC(V)1520232527293031323334735【实验数据范例】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录R(k )U1(V)U2(mV )I( A)lnI42.612.510.4911.502.4430.152.590

11、.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2719.902.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.71图-全暗洁况F太阳能电池外加偏压时的伏安特性曲线8图珥b全暗情抚下丈阳能电池外加懾压时前伏安特性半对数曲线2.6361V1,Io15.2 106mA，相关系数r 0.9996，电流与电压的指数关系得到验证。表 2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录U1(V)0.4001.4982.0342.2862.41

12、02.488U2(mV )0.010.391.402.533.464.16I( A)0.010.391.402.533.464.16U1(V)2.6012.6542.7272.7872.8532.928U2(mV )5.466.217.498.7910.4112.76I( A)5.466.217.498.7910.4112.76由丄eU1，当U较大时，eU1，即In I U In 10由最小二乘法，将表2I0中最后 6 点数据处理得以下结果：1 62.60V1，I。6.28 10 mA,相关系数r 0.9998。9表3恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录R()S(V)l(mA)P(

13、mW)R()6(V)I(mA)P(mW)2000.2251.12500.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.03

14、8414001.5911.13641.808170003.670.52431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.334780003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.0750

15、3.2358300003.880.12930.501830003.111.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.305834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.801210图M在恒立光

16、照卜乂阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线11图9恒定光5无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线表 4 太阳能电池Re和Uoc与相对光强J/Jo的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J0Isc(mA)UOC(V)151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.9600.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.

17、68330.4180.248960.493.65340.3320.197740.413.59350.2370.141160.323.5112图10太阳能电池短路班流与相对光强的关系曲线图丄丄闺太阳能电池开路电压与相对光强的关系曲线从图 10 和图 11 中找出Isc及UOC与相对光强J/Jo的近似函数关系为：IscA(J/Jo)(5)UocBI n(J/Jo) C(6)利用最小二乘法拟合，得Isc1.2855(J/J0) 0.1722，相关系数r 0.9985；Uoc0.2013ln(J/J。)3.9207，相关系数r 0.9973。从最小二乘法拟合中，可知对短路电流Isc和开路电压UOC关系

18、式(5)式和(6)式成立。13图口太阳虢电施开路电压与相对光强犬系的半对数曲线FB736 型太阳能电池特性实验仪使用说明书一. 概述：能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已 成为世人关注的全球性问题。为了经济持续发展及环境保护，人们正大量开发其它能源如 水能、风能及太阳能的利用。其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前 景。本仪器提供的实验，意在提高学生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池 的基本光电特性，学会电学与光学的一些重要实验方法及数据处理方法。可用本仪器做下 列实验：1.在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管），测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏