太阳能光伏电池测试与分析

哈尔滨工业大学创新实验报告HarbinInstituteofTechnology近代光学创新实验实验名称：太阳能光伏电池测试与分析院系：专业：姓名：学号：指导教师：实验时间：哈尔滨工业大学一、实验目的1、了解pn结基本结构和工作原理；2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理；3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系；4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源强度、波长、环境温度等因素对太阳能 电池特性的影响；5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。二、实验原理1、光生伏特效应半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，如图1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn结是典型的一个例子。N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。I=ISC=IL其二是负载电阻，外电路处于开路状态。流过负载电阻电流为零，根据等效电路图3，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压Voc就是所谓的开路电压。显然有得到开路电路电压VOC为图4太阳能电池最大功率矩形开路电压Voc和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒高度VD图4太阳能电池最大功率矩形4、太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100％。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：其中在I－V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图4光特性I－V曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I－V曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7～0.8之间。太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si太阳能电池的最大效率大致是28％左右。对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在10％～15％之间。为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可能采取的办法中通过光学透镜集中太阳光是有效的。太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大。不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大。但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉，因为透镜集中也是一个有优势的技术选择。图5实测太阳能电池暗特性曲线图5给出了对某种商用太阳能电池板室温下（25℃）实际测量得到的暗特性I－V曲线。图6实测太阳能电池光特性曲线图6是对某种商用太阳能电池板室温下（25℃）、150W氙灯光源直接照射下得到的光特性I－V曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图。三、实验设备设备采用整体箱式布局，所有元件都集中在一个箱体中，无外在分离结构。包括光源与太阳能电池、光路和外电路三个部分。1、光源与太阳能电池部分采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源标称功率750W。2、光路部分

本设备光路简洁，有光源、滤色片、光强探测器构成。滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能的光谱响应特性。光强探测器标定入射光强度。外电路外电路包括光源驱动电路、温度控制电路和测试分析电路三部分。光源驱动电路用于氙灯的点燃和轴流风冷。温控电路用于太阳能电池片的温度控制，加热采用电阻丝加热，冷却采用两级半导体冷堆方式。可在60℃~150℃范围内对样品进行特性测量。测试分析电路提供测试分析仪表的工作电压。四、实验内容与步骤1、太阳能电池暗特性测试暗特性测试不需要开启光源。测试反偏电压V下通过太阳能电池的电流I；测试正向偏压下通过太阳能电池的电流I。汇总测试数据形成I－V特性曲线。根据实验时间安排测量不同温度下的特性曲线。根据理想pn结电流电压方程对正偏实验数据进行拟和。实验结果：汇总正向偏压数据形成的I-V特性曲线如下图：取特性曲线上两点（3000，20000），（3300，60000）由，其中为常数，可得=273mV，IS=0.34μA，即拟合函数为2、太阳能电池光照特性测试（1）不加载滤色片、光强度最大条件下通过改变负载电阻来测试太阳能电池I－V特性曲线，汇总数据形成I－V特性曲线，然后根据特性曲线求解出开路电压Voc、闭路电流Isc；不加载滤色片，在两种不同光强下测量I－V特性，得到不同光强下的I－V特性曲线、开路电压、闭路电流数据；最大光强下，加载不同滤色片，测量I－V特性，得到不同单色光照情况下的I－V特性曲线、开路电压、闭路电路数据；（4）不同温度下的重复（1）得到不同温度下I－V特性曲线、开路电压、闭路电流数据。对比光强度、滤色片、温度对太阳能电池的I－V特性的影响，根据I－V曲线计算出不同测量参数下的最大功率矩形的值，进而计算出占空系数。实验结果：1. 不加载滤色片，06档光强（最大光强度）下得到的特性曲线如下图：可以求出，开路电压VOC=2680mV，短路电流ISC=55000μA。Vm=2000mV，Im=48300μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.662. 不加载滤色片，03档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2580mV，短路电流ISC=28500μA。Vm=2050mV，Im=26000μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.72。加载710nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2330mV，短路电流ISC=2200μA。Vm=1780mV，Im=1980μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.694. 加载710nm滤色片，03档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2270mV，短路电流ISC=1100μA。Vm=1700mV，Im=960μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.655. 加载770nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2180mV，短路电流ISC=725μA。Vm=1620mV，Im=600μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.61加载770nm滤色片，03档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2000mV，短路电流ISC=378μA。Vm=1500mV，Im=293μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.587. 加载900nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2020mV，短路电流ISC=378μA。Vm=1590mV，Im=293μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.618. 加载1035nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2350mV，短路电流ISC=1770μA。Vm=1830mV，Im=1530μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.679. 加载660nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2500mV，短路电流ISC=3620μA。Vm=2000mV，Im=3160μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.70加载570nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2310mV，短路电流ISC=1730μA。Vm=1820mV，Im=1480μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.67加载490nm滤色片，06档光强下得到的特性曲线如下图可以求出，开路电压VOC=2180mV，短路电流ISC=845μA。Vm=1660mV，Im=695μA，占空系数（ImVm/ISCVOC)=0.63光强度、滤色片、温度对太阳能电池的I－V特性的影响光强度增强，太阳能电池的开路电压和短路电流均相应增强，但电压变化幅度较小，呈对数式变化，而电流与光强变化成正比。滤色片使太阳能电池的开路电压和短路电流都减小，对电压影响较小，对电流影响很大。不同波长的滤波片对应的短路电流不同。随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减少，转换效率降低。 3、不同基材（多晶、非晶、单晶）太阳能电池特性对比研究转换效率，单晶硅太阳能电池＞多晶硅太阳能电池＞非晶硅太阳能电池。五、问题1、太阳能电池的工作原理是什么？答：太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。其基本原理是：当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子。在内建电场的驱动下，电子产生定向运动，使pn结两侧形成电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。为了得到较高的光电转化效率，太阳能电池在高温下工作有利还是低温下工作有利？答：太阳能电池的工作环境温度可以在较大的范围内变化。电池的短路电流并不强烈的依赖于温度。随温度上升，短路电流略有增加，但开路电压和占空系数都会减小，所以温度升高对电池的总影响是降低效率，使输出功率降低。当硅电池本身的温度超过60度时，其发电效率会大幅下降。所以太阳能电池在低温下工作有利。3、为了尽可能提高太阳能电池的光电转换效率，太阳能电池表面应该怎么处理为好？答：将太阳能电池表面制成金字塔型的结构，并加上抗反射层，以减少光的反射量；在照光的表面会从条状金属电极伸展出一列很细的金属指状物，除了能有效地收集载流子，而且可以减少金属线遮蔽入射光的比例，从而尽可能提升太阳能电池的转换效率。不同单色光下太阳能电池的光照特性有什么变化？为什么？答：太阳能电池对不同波长的光具有不同的响应，即不同单色光照射到太阳能电池上其效果是不一样的，太阳能电池会产生不同的短路电流。这是因为现有的任何一种半导体材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子，即只能在一有限波段转换太阳能量。附录实验记录的原始数据一，1、暗特性曲线：二．光特性曲线2．1、光特性：六档参数：开路电压，