太阳能电池特性测量

4.13太阳能电池特性测量太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是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，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能路灯、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和光电转换效率。实验目的在没有光照时，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。测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，测量短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子。测量太阳能电池的光照特性：短路电流、开路电压与相对光强度之间的关系仪器用具THQTN-1型太阳能电池特性测试仪（太阳能电池板、光功率计探头、直流电压表、直流电流表、直流稳压电源、负载电阻、入射光强指示、白炽灯、导轨等）卖验原理太阳能电池板结构以硅太阳能电池为例，结构示意如图（4.13-1）。硅太阳能电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成。在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减少光电池表面的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。太阳能电池的基本特性用光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。无光照时，太阳能电池正向uI特性太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸

收光的能量。并将所吸收的光子的能量转换为电能。在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向电压与通过的电流I的关系为I=I(e方-1) (4.13-1)式中，I和&是常数。太阳能电池的光照特性由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC-EV的半导体构成，如图4.13-2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个理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻R与一个电阻R所组成光子—电子I，能隙导电带 E想二极管、一个并联电阻R与一个电阻R所组成光子—电子I，能隙导电带 EC空穴价电带 EV如图4.13-3所示。，图4.13-3图4.13-2图4.13-2图4.13-2中，I为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流能电池内部二极管时电流。由基尔霍夫定律得：I为光照时通过太阳IR+U-(I-I-I)R=0式中，I为太阳能电池的输出电流，UIR+U-(I-I-I)R=0式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由此式可得I(1+R$)=I-U-I

R PhRd，太阳能电池可简化为图4.13-4所示电路。假定R=8，R=0这里，I=Ih-Id=Ih-10(ePu-1)。在短路时，u=0，，图4.13-4I=I;而在开路时，Iph$c=0,Isc-I(e^Jqc-1)=0，因此有U=—ln[L+1]

oc&I

0此式即为在R广8和R=0的情况下，太阳能电池的开路电压U(4.13-2)OC和短路电流、的关系式。其中U为开路电压，I为短路电流，而I、p是常数。（1）太阳能电池负载U-I特性曲线当太阳能电池接上负载人时，所得到的负载U-I特性曲线如图（4.13-5）所示，负载R可从零变化到无穷大。（2）太阳能电池的填充因子ff当负载为r时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为p:(4.13-3)式中I和式中I和U分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将开路电压U与短路电流Ioc的乘积与最大输出功率P之比定义为填充因子FF:（4.13-4）FF（4.13-4）FF取决于入射光UocLcU“cl填充因子FF为太阳能电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。（3）太阳能电池的转换效率门太阳能电池转换效率门定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能p之比，即(4.13-5)门=P(4.13-5)Pin仪器介绍:太阳能电池特性测试实验仪主要由两部分组成：太阳能电池实验仪部分有：太阳能电池板及锁紧螺钉，光功率计探头，白炽灯，导轨，底座，实验装置如图4.13-6所示。

图4.13-6太阳能电池测试仪部分有：直流电压表，直流电流表，入射光强指示，直流稳压电源，负载电阻。测试仪面板如图4.13-7所示。THQTN-1型太阳能电池特性测试实验仪直流电压表 直流电流表 入射光强（V） （mA） mW/cm2负载电阻（负载电阻（Q）直流稳压电源+一图4.13-7实验内容：测量太阳能电池无光照时的伏安特性实验条件：用遮光罩挡光，使太阳能电池无光照。太阳能电池正向电压测量范围：0〜3.00V，测量10个点，变化明显处测量间隔要小。测量电路如图4.13-8所示。由（4.13-1）式得匕=e国-1，当U较大时，ePU>>1，即lnI=pU+lnI，对epu>>10的数据用最小二乘法处理，计算p、I及相关系数y，说明太阳能电池无光照时的伏安特性。不加偏压，用白炽灯照射时，测量太阳能电池特性测量要求：4片太阳能电池串联，光源到太阳能电池距离35cm。测量电路如图4.13-9所示。

图4.13-9图4.13-9改变负载电阻R，测量在不同负载电阻下太阳能电池的输出电压U与电流I之间的关系，画出U-I曲线。测量要求：负载电阻r的变化范围：200〜90000Q，测量40组，变化明显处测量间隔要小。根据u-I曲线，用外推法求短路电流I和开路电压u。计算负载电阻r不同时的输出功率p=IxU，画出输出功率与负载电阻关系曲线，求出最佳工作电流I和最佳工作电压u，并计算最大输出功率p。计算填充因子FF。计算转换效率门。照射到太阳能电池的总辐射能p=单位面积的入射光强jx太阳能电池有效面积。本实验所用太阳能电池单片有效