太陽能電池介紹

1、實(shí)驗12 太陽能電池（工科）目 錄 一、實(shí)驗?zāi)康?二、實(shí)驗儀器2三、實(shí)驗原理2四、實(shí)驗內(nèi)容與步驟5五、數(shù)據(jù)處理7六、注意事項7七、參考文獻(xiàn)7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題。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的CO2、SO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風(fēng)雨和酸雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人類帶來無窮的煩惱。根據(jù)計算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過500億噸。我國能源消費(fèi)以煤為主，CO2的排放量占世界的1

2、5%，僅次于美國，所以減少排放CO2、SO2等溫室氣體，已經(jīng)成為刻不容緩的大事。推廣使用太陽輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。太陽與地球的平均距離為1億5千萬公里。在地球大氣圈外，太陽輻射的功率密度為1.353kW /m2，稱為太陽常數(shù)。到達(dá)地球表面時，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時，太陽輻射的功率密度約為1kW /m2 ，通

3、常被作為測試太陽電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽到地球的總輻射功率比目前全世界的平均消費(fèi)電力還要大數(shù)十萬倍。每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢。太陽能發(fā)電有兩種方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高。光電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(fā)電目前成本

4、較高，所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，2002年，國家有關(guān)部委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽能發(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。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽能電池分為單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池。本實(shí)驗研究多晶硅太陽能電池的特性。THQTN-

5、1 型 太陽能電池特性測試實(shí)驗儀一、實(shí)驗?zāi)康?熟悉太陽能電池的工作原理； 2太陽能電池的暗伏安特性測量3太陽能電池光電特性測量。二、實(shí)驗原理（1）太陽能電池板結(jié)構(gòu)圖3 太陽能電池板結(jié)構(gòu)示意圖以硅太陽能電池為例：結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。硅太陽電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積PN結(jié)經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成，在N型材料層面上制作金屬柵線為面接觸電極，背面也制作金屬膜作為接觸電極，這樣就形成了太陽能電池板。為了減小光的反射損失，一般在表面覆蓋一層減反射膜。 （2）光伏效應(yīng)太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面P-N結(jié)，圖為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的

6、空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(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，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電

7、，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，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，由P=IV得到輸出功率，從而掌握其輸出功率伏安特性如右圖。用光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上時，半導(dǎo)體PN結(jié)吸收光能后，兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。由于P-N結(jié)耗盡區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在耗盡區(qū)中的電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運(yùn)動，離開耗盡區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，P-N結(jié)兩端形成光生電動勢，這就是P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)。（3）太陽能電池的特性參數(shù)太陽能電池工作原理基于光伏效應(yīng)。當(dāng)光照射

8、到太陽能電池板時，太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為電能。在沒有光照時, 可將太陽能電池視為一個二極管,其正向偏壓與通過的電流的關(guān)系為 ( 1 )是二極管的反向飽和電流，稱為理想系數(shù)，是表示PN結(jié)特性的參數(shù)，通常為1。是波爾茲曼常數(shù)，為電子的電荷量，為熱力學(xué)溫度。（可令）當(dāng)太陽能電池短路時，我們可以得到短路電流為ISC，當(dāng)太陽能電池開路時，我們可以得到開路電壓為UOC。當(dāng)太陽能電池接上負(fù)載R時，所得到的負(fù)載U-I特性曲線如（圖四）所示，負(fù)載R可從零至無窮大，當(dāng)負(fù)載為Rm時，太陽能電池的輸出功率最大，它對應(yīng)的最大功率為Pm：Pm=ImUm ( 2 )上式中Im和Um分別為最

9、佳工作電流和最佳工作電壓，將Voc與Isc的乘積與最大輸出功率Pm之比定義為填充因子FF： ( 3 )FF為太陽能電池的重要特性參數(shù)，F(xiàn)F越大則輸出功率越高。FF取決于入射光強(qiáng)、材料禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能Pin之比，即 ( 4 ) Pin為單位面積的入射光強(qiáng)J太陽能電池有效面積,J由光功率計探頭測定圖4太陽能電池的伏安特性曲線三、實(shí)驗儀器THQTN-1型 太陽能電池特性測試實(shí)驗儀。（一）技術(shù)指標(biāo)1太陽能電池 60mm60mm4 2單片太陽能電池功率 0.3W (標(biāo)準(zhǔn)測試條件：AM1.5 25 10

10、00W/M2下)3開路電壓： 4.72V(標(biāo)準(zhǔn)測試條件：AM1.5 25 1000W/M2下)4短路電流： 88mA(標(biāo)準(zhǔn)測試條件：AM1.5 25 1000W/M2下)5白熾燈功率： 60W（二）實(shí)驗儀器THQTN-1型 太陽能電池特性測試實(shí)驗儀主要由兩部分組成：（一）太陽能電池實(shí)驗儀部分主要由：白熾燈及燈具座、太陽能電池板、光功率計探頭、導(dǎo)軌、滑塊及鎖緊螺釘、底座等組成（詳見圖1）。圖1 實(shí)驗儀結(jié)構(gòu)簡圖（二）太陽能電池測試儀部分主要由直流電壓表、直流電流表、入射光強(qiáng)指示、直流穩(wěn)壓電源及負(fù)載等組成（詳見圖2）。圖2 測試儀面板圖四、實(shí)驗內(nèi)容與步驟 打開測試儀電源，預(yù)熱幾分鐘。1、 測太陽能電

11、池?zé)o光照時的伏安特性（直流偏壓從02V）(1） RW表電源自帶內(nèi)阻（不耍連接工具箱上電阻R），針對一片太陽能電池1作IU曲線。(2） 連接測量電路如圖5所示（注：太陽能電池板接線時，應(yīng)用手扶住太陽能電池盒）： 圖5 E+A+A_V+V-E-，電池1+V+，電池1-V- 嚴(yán)格照圖連接，A,V表不可換位(否則電流表顯負(fù)號) 。(3) 蓋上暗室蓋，如圖搭好電路，電流取2mA檔，進(jìn)行測量，記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)。（有時要取20mA檔, 否則顯負(fù)）利用測得的正向偏壓時IU關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出IU曲線。蓋上遮光罩U與I關(guān)系如下：表1U（V）0.050.150.200.300.400.450.50I（mA）U（V）0.55

12、0.650.700.800.900.951.00I（mA）U（V）1.051.151.201.301.401.451.50I（mA）U（V）1.551.651.701.801.901.952.00I（mA）2、 在不加偏壓時，用白熾燈光照射，測量太陽能電池特性(4片串聯(lián)負(fù)載特性更明顯)。連接測量電路如圖6所示：注意：此時光源到太陽能電池距離不能太近，可選擇為35cm之后。(1) 將4片太陽能電池尾首相接，選擇光源到太陽能電池距離選擇為35cm，固緊鎖緊螺釘（注：太陽能電池板接線時，應(yīng)用手扶住太陽能電池盒）：將光功率探頭與入射光強(qiáng)顯示連線連好。(2) 電路圖連接，將E+改作R+,E-改作R-，R

13、+接A-,A+接V+,V-接R-,電池1+V+，電池4-V-即可。 注意:1中A+接E+，2中A+接V+ 圖6(3)打開光源數(shù)分鐘；測量電池在不同負(fù)載電阻下，對變化關(guān)系，畫出曲線圖。記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I,并計算輸出功率PO=VI，填于表中。找出最大功率點(diǎn)，對應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載R。(4)參考數(shù)據(jù): J=1.1mW/cm2, 最佳匹配負(fù)載R。約5000,R5000, 電流取2mA檔表2 太陽能電池輸出特性實(shí)驗 光強(qiáng)J=輸出電壓V(V)多晶硅負(fù)載電阻（歐）輸出電流I(A)輸出功率PO(mW)10002000.90003、測量短路電流和開路電壓及入射光強(qiáng)J；(R=R。)（1）測量

14、短路電流(R調(diào)至0)、開路電壓(將A+、A-拔出即可)并記錄入射光強(qiáng)J。（2）求太陽能電池的最大輸出功率，最佳工作電壓和最佳工作電流。（3）計算填充因子：（4）計算轉(zhuǎn)換效率：表3 太陽能電池的填充因子光照強(qiáng)度：W/m2多晶硅開路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）ISC * VOCPMAX填充因子FF計算轉(zhuǎn)換效率：表4 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率表光照強(qiáng)度：mW/cm2多晶硅輸出最大光功率入射光功率轉(zhuǎn)換效率4、選作實(shí)驗（1）電池的串聯(lián)和并聯(lián)選用兩片電池，分別串. 并聯(lián)，重復(fù)2.3，比較其特性。注意輸出最大光功率與轉(zhuǎn)換效率。（2）短路電流和開路電壓與入射光強(qiáng)J的關(guān)系。五、數(shù)據(jù)處理光功率Pin為單位面積的入射光強(qiáng)J太陽能電池有效面積(4S)；本實(shí)驗儀所用太陽能電池單片有效面積S為2060mm2；六