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1、太陽(yáng)能電池特性的測(cè)量 能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問(wèn)題，新能源利用迫在眉睫。太陽(yáng)能是一 種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽(yáng)電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī) 模的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽(yáng)能發(fā)電 有望在不久的將來(lái)在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)能應(yīng)用具有光明的前景。 根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅太陽(yáng)能電池，化合物太陽(yáng)能電池，聚合物太陽(yáng) 能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池等。其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3 種太陽(yáng)能電池的特性。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

2、 1．學(xué)習(xí)太陽(yáng)能電池的發(fā)電的原理 2．了解太陽(yáng)電池測(cè)量原理 3．對(duì)太陽(yáng)電池特性進(jìn)行測(cè)量 實(shí)驗(yàn)原理 太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體 P-N 結(jié)受光照射 光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一 面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。 P 型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒(méi) 由電子。 N 型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電 幾乎沒(méi)有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成 結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P 空間電荷區(qū) 圖 1 半導(dǎo)體 P-N 結(jié)示意圖 時(shí)的 個(gè)大 有自 子， P-N 區(qū)的 輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出 空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形

3、成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò) 散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過(guò)P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)， P區(qū)的空穴被來(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N 區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有能導(dǎo)電 的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。 當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì) 壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過(guò)量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過(guò)量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形 成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。 在一定的光照條件下，改變太陽(yáng)能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸

4、出 伏安特性，如圖 2 實(shí)線所示。 負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流 ISC 稱為短路電 流。 負(fù)載斷開(kāi)時(shí)測(cè)得的最大電壓VOc稱為開(kāi)路電壓。 太陽(yáng)能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的 乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣 時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)， 輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所 示。 功率Pmax。 I 填充因子F.F定義為: (1) P F ■ F = max V XI oc sc 填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其 值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF 值在0.75?0.8之間。 轉(zhuǎn)換效

5、率n s定義為： P (2) (%) = max X 100% s P in Pin為入射到太陽(yáng)能電池表面的光功率。 理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長(zhǎng)，而開(kāi)路電壓在入 射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。 硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三 種。 單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%， 規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià) 格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單

6、晶 硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室 最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來(lái) 的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步 解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無(wú)疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展方向之一。 實(shí)驗(yàn)儀器 太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。 圖4太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置 光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽(yáng)光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽(yáng)能電池之間的距離可以改變照射 到太陽(yáng)能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)

7、驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電 流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。 電壓源：可以輸出0?8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。 電壓/光強(qiáng)表：通過(guò)“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng) 輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過(guò)“電壓量程” 或“光強(qiáng)量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。 電流表：可以測(cè)量并顯示0?200mA的電流，通過(guò)“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1.硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量 暗伏安特性是指無(wú)光照射時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)

8、是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽(yáng)能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于 普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。 為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極 管，但取決于太陽(yáng)能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。 本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫(huà)出單晶硅，多晶硅，非晶硅太陽(yáng)能電池組件 在無(wú)光照時(shí)的暗伏安特性曲線。 用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池。 測(cè)試原理圖如圖5所示。將待測(cè)的太陽(yáng)能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至 50Q后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回

9、路中的電流。 圖5伏安特性測(cè)量接線原理圖 將電壓源調(diào)到0V,然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.3V記一次電流值。記錄到表1中。 將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽(yáng)能電池加上反向的電 壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。 表1 3種太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量 電壓(V) 電流(mA) 單晶硅 多晶硅 非晶硅 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.3 0.6 0.9

10、 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。 討論太陽(yáng)能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。 2.開(kāi)路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量 打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱5分鐘。 打開(kāi)遮光罩。將光強(qiáng)探頭裝在太陽(yáng)能電池板位置,探頭輸出線連接到太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀的“光 強(qiáng)輸入”接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測(cè)量”由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一

11、定距離的光強(qiáng) I,將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。 圖6開(kāi)路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量示意圖 將光強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽(yáng)能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖6A接線，按測(cè)量光強(qiáng) 時(shí)的距離值(光強(qiáng)已知)，記錄開(kāi)路電壓值于表2中。 按圖6B接線，記錄短路電流值于表2中。 將單晶硅太陽(yáng)能電池更換為多晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。 將多晶硅太陽(yáng)能電池更換為非晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。 表2 3種太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系 距離(cm) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 光強(qiáng)I (W/m2

12、 單晶硅 開(kāi)路電壓vOC (V) 短路電流Isc (mA) 多晶硅 開(kāi)路電壓VOC(V) 短路電流ISC (mA) 非晶硅 開(kāi)路電壓VOC (V) 短路電流ISC (mA) 根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。 根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。 3.太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)

13、 光 衣陽(yáng)能電盤(pán) 電阻箱 圖7測(cè)量太陽(yáng)能電池輸出特性 按圖7接線，以電阻箱作為太陽(yáng)能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下(將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一 個(gè)位置)，分別將三種太陽(yáng)能電池板安裝到支架上，通過(guò)改變電阻箱的電阻值，記錄太陽(yáng)能電池的輸 出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率Po=VxI，填于表3中。 表3 3種太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 光強(qiáng)I= W/m2 單晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流1(A) 輸出功率P (W) O

14、 多晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流I(A) 輸出功率P (W) 0 非晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流I(A) 輸出功率P (W) 0 根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。 找出最大功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載。 由(1)式計(jì)算填充因子。 由(2)式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽(yáng)能電池板上的光功率Pin=IxS], I為入射到太陽(yáng)能電池板表 面的光強(qiáng)，S]為太陽(yáng)能電池板面積(約為50mmX50mm)o 若時(shí)間允許，可改變光照強(qiáng)度(改變滑動(dòng)支架的位置)，重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)。 【注意事項(xiàng)】 1． 在預(yù)熱光源的時(shí)候，需用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池，以降低太陽(yáng)能電池的溫度，減小實(shí)驗(yàn)誤 差； 2． 光源工作及關(guān)閉后的約1 小時(shí)期間，燈罩表面的溫度都很高，請(qǐng)不要觸摸； 3． 可變負(fù)載只能適用于本實(shí)驗(yàn)，否則可能燒壞可變負(fù)載； 4． 220V 電源需可靠接地。