大学物理实验

实验报告实验课程名称硅光电池特性测试业:***********级：********名：***-号：**********实验学时:指导教师:绩:2017年6月8日西安工业大学实验报告专业班级姓名****学号*******实验课程硅光电池特性测试指导教师实验日期2017.6.8同实验者实验项目测试硅光电池的特性实验设备及器材1.光具座及滑块座：均为铝合金材质，燕尾形偶合结构，标尺长50.0cm。2.太阳能电池盒。3.光源：25W白炽灯。4.DJL-0E-II型太阳能电池特性测试仪：含3位半数字电压表0—2V,内阻100K；3位半数字电流表0—20mA，内阻10Q；直流稳压电源0—5V连续可调。5.数字式光功率计，量程为0—20mW和0—100mW二档。6.遮光光阑（带①6mm孔）1个，遮光盖1个。7.电阻箱：0〜99999.9Q。一、实验目的测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I、开路电压SCU、最大输出功率P及填充因子FF。OCm3•测量太阳能电池的短路电流I、开路电压U与相对光强J的关系，求出SCOCJ0它们的近似函数关系；二、实验原理太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。这一能量转换过程是利用半导体P-N结的光伏效应（PhotovoltaicEffect）进行的。在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压U与通过电流I的关系式为：I=I（enkT—1）=I（e0〃—1） （1）00其中，I、U为P-N结二极管的电流及电压，k为波尔兹曼常数（1.38X10-23J/K）,q为电子电荷量（1.602X10-19库仑），T为绝对温度，I是二极管的反0向饱和电流，n是理想二极管参数，0=丄。nkT由半导体理论知,二极管主要是由如图1所示的能隙为E-E的半导体所构CV成。E为半导体导电带，E为半导体价电带。因为在不同的光谱中光子所携带的CV

能量不一样，并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能。当光

子所携带的能量大于禁带能量时，光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到

导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，

电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样，N区有很多电子，P区有很多

空穴，在P-N结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵

消了内建电场，其余部分则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之

间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光伏效应”。若光子所携带得能量小

于禁带能量时，就对太阳能电池而言并没有什么作用，不会产生任何的电流。在

太阳光照射到太阳能电池产生电子-空穴对的同时，也会有部份的能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。图1 太阳能电池光电转换机理示意图如果太阳能电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N结分开的电子和空穴，全部积累在P-N结附近，于是出现了最大光生电动势，其数值即为开路电压（U）。如果把太阳能电池短路，即回路负载电阻为零，则OC所有P-N结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流（I）。太阳能电池相当于具有与受光面平行SCshs示。图2 太阳能电池的理论模型等效电路的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此可以建立一个等效理论模型来分析其工作特性，假设太阳能电池为一个理想电流源（光照产生光电流的电流源）、个理想二极管所和一个电阻R并联，并串有一个电阻R的等效电路，如图shs示。图2 太阳能电池的理论模型等效电路TOC\o"1-5"\h\z图中，I为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，I为光照时，通过太ph d阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：I+U-（I-1-1）R二0 （2）RS phd shI为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。可以得到：I（1+・二I-—-1 （3）R phRdsh sh假定R=^和R=0，则太阳能电池可简化为图3所示电路。sh s cJLu图3 太阳能电池理论模型的简化等效电路这里，I=I-1=I-1（e切-1）。那么，phdph0在短路时：U=0,I=I；在开路时，I=0,I-1（ePUOC-1）=0；贝9：phSC ph01IU=—ln[¥+1] （4）ocBI0（4）式即为在R=^和只=0的情况下，太阳能电池的开路电压U和短路电sh s OC流I的关系式。三、 实验仪器光具座及滑块座：均为铝合金材质，燕尾形偶合结构，标尺长50.0cm。太阳能电池盒。光源：25W白炽灯。DJL-OE-II型太阳能电池特性测试仪：含3位半数字电压表0—2V，内阻100K；3位半数字电流表0—20mA,内阻10Q；直流稳压电源0—5V连续可调。数字式光功率计，量程为0—20mW和0—100mW二档。遮光光阑（带①6mm孔）1个，遮光盖1个。电阻箱：0一99999.9Q。四、 实验内容无光照（全黑）条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I—U特性

红kNI韭电红kNI韭电;E閤4i-U待件测试示总圏按照图4所示方法安排实验仪器，盖上遮光盖，依次改变电源电压，通过电流表和电压表分别测得实验数据，画出I—U曲线，并求得常数B和I值。0由实验数据作图，并进行曲线拟合。2．在不加偏压时，测量太阳能电池在光照时的输出特性。按照图52．在不加偏压时，测量太阳能电池在光照时的输出特性。按照图5所示方法安排实验仪器，打开遮光盖。保持一定距离（例如用光i6）j功率计测量光功率1mW处），用白炽灯照射，测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I—U曲线图，并进行曲线拟合，求出在此光照条件下太阳能电池的短路电流I、开路电压U以及最大输出功率P、填充因子SCOCm（FF仁I口）。-SCOC测量太阳能电池的光照效应与光电性质。将光功率计置于导轨上，测量白炽灯的光照强度，取光电池在测量值为1mW处位置的光照强度作为标准光照强度J,改变太阳能电池到光源的距离，用光功0率计测量光照强度J（光功率计探头线直接与太阳能电池相对接）。测量太阳能电池接收到相对光强度厶不同值时，相应的I和U的值,（为得到较小的J时,J SCOC J00可使用带有①6mm孔的遮光光阑）。具体测量办法是：测完一个相对光强度值后,断开功率计和太阳能电池的连接线，把太阳能电池分别加到电流表和电压表上测量短路电流I和开路电压U。跟据测量结与之间的果，描绘I〜J、U〜JSC OC SCJ OCJ之间的关系曲线，求幕与J之间和UOC与J之间的近似函数关系。五、实验数据表1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性U/V0.0050.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.500I/mA0.0000.0100.0200.0500.0900.1800.3400.6801.5203.1906.010表2不同负载电阻下I-U关系RL(Q)050100150200250300350400450U/V0.0000.0180.0350.0520.0680.0820.0970.1110.1240.137I/mA0.350.350.350.340.340.330.320.320.310.30RL(Q)500550600650700750800850900950U/V0.1480.1580.1680.1770.1840.1910.1980.2040.2110.215I/mA0.290.290.280.270.260.250.250.240.230.23RL(Q)1.0K2.0K3.0K4.0K5.0K6.0K7.0K8.0K9.0K10.0KU/V0.2200.2600.2720.2780.2810.2830.2850.2860.2870.287I/mA0.220.130.090.070.060.050.040.040.030.03表3太阳能电池接收到不同相对光强度值相应叽和U测量结果OCJJz01.601.401.201.000.800.600.400.200.100.080.06U(V)OC0.5800.5200.4400.3600.3000.2200.2290.1760.1310.1170.096I(mA)SC0.3310.3230.3100.2980.2830.2600.1500.0800.0400.0300.020国1全暗情况卜太阳能电池在外加偏E时优安

特性图7不-负载电阻P|-U关系i/mA

....-■- 二汁|.一-_|.一•厂三匕工 J00.7DOr-■1600O.iW・ISCCnilA：-O.iW・ISCCnilA：-■15000.2DO<5.1000 02 04。启I"1 11 1.4L6LB六、注意事项白炽灯应与与太阳能电池特性测试仪后面板上的香蕉插头座对