大学物理实验-拓展提高篇 课件 实验3.9-太阳能电池特性实验

1光阳能电池特性实验大学物理实验——拓展提高篇物理实验教学中心2光阳能电池特性实验第一节实验原理大学物理实验——拓展提高篇物理实验教学中心太阳能电池特性实验—实验背景1、化石能源3太阳能电池特性实验—实验背景1、化石能源4石油开采煤炭开采天然气开采能源危机5太阳能电池特性实验—实验背景2、环境污染冰川融化煤炭燃烧汽油燃烧石油泄漏6太阳能电池特性实验—实验背景3、可再生能源水能风能生物质能太阳能7世界主要经济体能源消费结构1978-2020年我国能源消费结构变化太阳能电池特性实验—实验背景能源结构81958年3月17日第一个使用太阳能电池转换效率9%路灯热水器生产生活用电人造卫星电池“柚子卫星”太阳能电池特性实验—实验背景4、太阳能发电：94、太阳能发电：光-热-电:效率低，成本高光-电：光伏效应——太阳能电池硅太阳能电池

发展最成熟，应用占主导地位。太阳能电池特性实验—实验背景10石英砂精炼太阳能电池特性实验—实验背景晶硅生产流程单晶硅：硅的单晶体，基本完整的点阵结构的晶体，用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。多晶硅：硅原子以金刚石晶格形式排列成多个晶核。晶核生长成具有不同晶体取向的晶粒，晶粒结合并结晶成多晶硅。单晶体多晶体11硅太阳能电池转换效率技术特点性能特点发展方向单晶硅24.7%(实验室)15%(规模生产)原料消耗大，技术成熟，工艺复杂，成本高转换效率高，寿命长低成本多晶硅18%(实验室)10%(规模生产)原料消耗少，成本较低转换效率较高大面积，薄衬底非晶硅薄膜9%~13%工艺简单，原料充足，便于大规模生产，成本低重量轻，品种多，用途广，转换效率低稳定性，转换效率本实验研究单晶硅，多晶硅和非晶硅太阳能电池的特性。硅太阳能电池太阳能电池特性实验—实验背景太阳能电池特性实验—实验任务、实验目的、训练点了解能源现状和可再生能源。学习并掌握太阳能电池的原理和应用特点。了解太阳能电池特性实验仪的基本使用方法，并会用该装置测定太阳能电池特性。2.实验目的3.实验训练点太阳能电池特性实验仪的正确使用。用作图法正确处理数据。1.实验任务12测量三种硅太阳能电池的暗伏安特性，开路电压、短路电流和光强之间的关系，以及输出特性。太阳能电池特性实验—实验原理1、硅太阳能电池工作原理

P+

N--------++++++PN结空间电荷区(扩散)内电场(漂移)

浓度差

多子的扩散运动

形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

半导体P-N结示意图多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。1314太阳能电池特性实验—实验原理+电子空穴+吸收光子价带导带Eg光吸收光伏效应示意图1、硅太阳能电池工作原理152、性能参数(1)开路电压open-circuitvoltage(UOC)：太阳能电池处于开路状态时两端电压，即负载断开时测得的最大电压。(2)短路电流short-circuitcurrent(ISC)：太阳能电池处于短路状态时流过的电流，即负载电阻为零时测得的最大电流。太阳能电池特性实验—实验原理16(3)输出功率：太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。UOCU太阳能电池特性实验—实验原理17(4)填充因子FillFactor(F.F)，是太阳能电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高。(1)一般的硅光电池F.F值在0.75~0.80之间。太阳能电池特性实验—实验原理输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax

。18(5)能量转换效率PowerConversionEfficiency(ηs(%))：太阳能电池的最大输出功率和入射光的功率之比。其中Il为光强，Sl为面积S1=50mm×50mm(2)太阳能电池特性实验—实验原理19太阳能电池特性实验第二节实验仪器大学物理实验——拓展提高篇物理实验教学中心太阳能电池特性实验—实验仪器主要实验仪器、器件：太阳能电池特性实验仪光探头、太阳能电池板碘钨灯光源、遮光罩可变负载（电阻箱）导轨、滑动支架、导线20太阳能电池特性实验—实验仪器1、太阳能电池特性实验仪213.电流表：测量输入“电流输入”接口的电流。1.电压源输出：为太阳能电池提供电压。2.电压/光强表：测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。太阳能电池特性实验—实验仪器2、光探头、太阳能电池板22光探头单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池太阳能电池特性实验—实验仪器3、碘钨灯光源、遮光罩23仪器使用注意事项1.预热光源时，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差。2.光源工作及关闭后的约一小时内，灯罩表面温度很高，不要触摸。碘钨灯光源遮光罩太阳能电池特性实验—实验仪器4、可变负载24电阻箱可变负载可变负载太阳能电池特性实验—实验仪器5、导轨、滑动支架、导线25导轨、滑动支架导线26太阳能电池特性实验第三节实验内容大学物理实验——拓展提高篇物理实验教学中心太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord1仪器检查、记录仪器不正常时调整观察各仪器器件，状态是否正常记录仪器器件名称，主要仪器的型号和主要参数。实验时的环境参数2728太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太阳能电池的暗伏安特性测量(1)合理布局各仪器器件，采用回路接线法按照电路图连线。硅太阳能电池：接入“电压源输出”接口(2)初态设置，定性观察。可变负载：50Ω，串联(1)观察硅太阳能电池特性实验仪上的电压表和电流表显示是否正常(1)如有故障，分析解决并记录。VA太阳能电池可调电压源+_50Ω29太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太阳能电池的暗伏安特性测量(3)硅太阳能电池遮光，电压源从0V逐渐增大，每间隔0.3V测量电流。(4)“电压源输出”接口两根连线互换，从0V开始逐渐增大反向电压，每间隔1.0V测量电流。(5)依次完成单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的上述实验内容(表1)。(2)测量值(2)记录电流值。电压U(V)电流I(mA)单晶硅多晶硅非晶硅-7.0-6.0...-1.000.3...3.9表1三种硅太阳能电池的暗伏安特性测量30太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord3开路电压、短路电流与光强关系测量(1)打开光源开关，预热5分钟。(2)合理布局各仪器器件，将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接“光强输入”接口。测试仪设置为“光强测量”。(3)打开遮光罩，由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强Il。(1)观察太阳能电池特性实验仪上的光强表显示是否正常(2)测量值(1)如有故障，分析解决并记录。(2)记录光强值距离(cm)1520253035404550光强Il(W/m2)表2三种硅太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系31太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord3开路电压、短路电流与光强关系测量(3)将光强探头换成硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），测量开路电压值。按图B接线，测量短路电流值。(2)测量值(1)如有故障，分析解决并记录。(2)记录电压值和电流值V太阳能电池光图A测量开路电压A太阳能电池光图B测量短路电流32太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord3开路电压、短路电流与光强关系测量(4)依次完成单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的上述实验内容(表2)。(2)测量值(2)记录电压值和电流值距离(cm)1520...50光强Il(W/m2)单晶硅开路电压UOC(V)短路电流ISC(mA)多晶硅开路电压UOC(V)短路电流ISC(mA)非晶硅开路电压UOC(V)短路电流ISC(mA)表2三种硅太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系33太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太阳能电池输出特性实验(1)合理布局各仪器器件，按图接线，可变负载作为太阳能电池负载。(2)一定光照强度下(将滑动支架固定在导轨上某一位置(30cm)，从表2中查出对应的光强)，改变可变负载的电阻值，测量硅太阳能电池的输出电压U和电流I，并计算输出功率Po=

U·I。(1)观察太阳能电池特性实验仪上的电压表和电流表显示是否正常(2)测量值(1)如有故障，分析解决并记录。(2)记录电压值和电流值可变负载V太阳能电池光A34太阳能电池特性实验—实验内容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太阳能电池输出特性实验(3)依次完成单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的上述实验内容(表3)。(2)测量值(2)记录电压值和电流值单晶硅输出电压U(V)00.20.4...1.6...输出电流I(A)输出功率PO(W)多晶硅输出电压U(V)00.20.4...1.6...输出电流I(A)输出功率PO(W)非晶硅输出电压U(V)00.20.4...1.6...输出电流I(A)输出功率PO(W)表3.9.3三种硅太阳能电池输出特性实验(30cm)35数据处理要求太阳能电池特性实验—数据处理1.内容要求(1)三组曲线：

①三种硅太阳能电池的暗伏安特性曲线(图1)

②三种硅太阳能电池开路电压和短路电流随光强变化曲线(图2)

③三种硅太阳能电池输出伏安特性曲线及功率曲线(图3)(2)比较图3与图2，找到最大功率点，该点对应的电阻值即为最佳匹配负载。(3)根据式(1)和式(2)分别计算填充因子和转换效率。2.作图要求

①作图可以手工在坐标纸上作图，也可以使用计算机软件作图。②作图必须按照作图要求，要素齐备，图线符号和标注规范。太阳能电池特性实验—思考题思考提高(可在实验报告或数据报告选作)1.硅太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同？2.如何求得太阳能电池的最大输出功率？最大输出功率与它的最佳匹配电阻有什么关系？3.太阳能电池的光照特性（开路电压和短路电流）与太阳能电池的入射光强符合什么函数关系？36太阳能电池特性实验部分图片来源于网络37//goomai/69818.html/doc/1270977-1344044.html/doc/7248095-7477326.html/doc/5797380-6010175.html/zhishiku/2021/0721/21344.html/learn/CSLG-1001753006?tid=1468720572#/learn/content?type=detail&id=1251218877&cid=1280145914/s?id=1