太陽能電池基本特性的測量(講義)

1、太陽能電池基本特性的測量太陽能的利用和太陽能電池特性研究是世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點(diǎn)課題。目前硅太陽能電池應(yīng)用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已大量用于民用領(lǐng)域：如太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能收音機(jī)、太陽能計(jì)算機(jī)、太陽能鄉(xiāng)村電站等。太陽能是一種清潔、“綠色”能源，因此，世界各國十分重視對太陽能電池的研究和利用。本實(shí)驗(yàn)的目的主要是探討太陽能電池的基本特性，太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電能?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 在沒有光照時(shí)，太陽能電池主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)二極管，測量該二極管在正向偏壓時(shí)的伏安特性曲線，并求得電壓和電流關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。2 測量太陽能電池在光照時(shí)的輸出伏安特性，作出伏安特性曲

2、線圖，從圖中求得它的短路電流()、開路電壓()、最大輸出功率及填充因子，。填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。3 測量太陽能電池的光照特性：測量短路電流和相對光強(qiáng)度之間關(guān)系，畫出與相對光強(qiáng)之間的關(guān)系圖；測量開路電壓和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系，畫出與相對光強(qiáng)之間的關(guān)系圖。【實(shí)驗(yàn)原理】太陽能電池在沒有光照時(shí)其特性可視為一個(gè)二極管，在沒有光照時(shí)其正向偏壓與通過電流的關(guān)系式為： (1)(1)式中，和是常數(shù)。由半導(dǎo)體理論，二極管主要是由能隙為的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，為半導(dǎo)體價(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，光子會被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內(nèi)電

3、場的影響而產(chǎn)生光電流。假設(shè)太陽能電池的理論模型是由一理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻與一個(gè)電阻所組成，如圖所示。圖中，為太陽能電池在光照時(shí)的等效電源輸出電流，為光照時(shí)通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得： （2）（2）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（1）式可得， （3）假定和，太陽能電池可簡化為圖所示電路。這里，。在短路時(shí)，；而在開路時(shí)，； （4）（4）式即為在和的情況下，太陽能電池的開路電壓和短路電流的關(guān)系式。其中為開路電壓，為短路電流，而、是常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)裝置】光具座及滑塊座、具有引出接線的盒裝太陽能電池、數(shù)字萬用表1只（用戶自

4、備）、電阻箱1只（用戶自備）、白熾燈光源1只（射燈結(jié)構(gòu)，功率）、光功率計(jì)（帶直流穩(wěn)壓電源）、導(dǎo)線若干、遮光罩1個(gè)、單刀雙擲開關(guān)1個(gè)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1在沒有光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池施加正向偏壓時(shí)的特性（直流偏壓從0-3.0V） （1）畫出測量實(shí)驗(yàn)線路圖。（2）利用測得的正向偏壓時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出曲線并求得常數(shù)和的值。2在不加偏壓時(shí)，用白色光源照射，測量太陽能電池一些特性。注意此時(shí)光源到太陽能電池距離保持為。（1）畫出測量實(shí)驗(yàn)線路圖。（2）測量太陽能電池在不同負(fù)載電阻下，對變化關(guān)系，畫出曲線圖。（3）用外推法求短路電流和開路電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時(shí)負(fù)載電阻。（

5、5）計(jì)算填充因子。3測量太陽能電池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白熾燈光源水平距離光強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，用光功率計(jì)測量該處的光照強(qiáng)度；改變太陽能電池到光源的距離,用光功率計(jì)測量處的光照強(qiáng)度J，求光強(qiáng)J與位置的關(guān)系。測量太陽能電池接收到相對光強(qiáng)度不同值時(shí)，相應(yīng)的和的值。（1）描繪和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求和與相對光強(qiáng)之間近似關(guān)系函數(shù)。 （2）描繪出和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求與相對光強(qiáng)度之間近似函數(shù)關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格】1在全暗的情況下，測量太陽能電池正向偏壓下流過太陽能電池的電流和太陽能電池的輸出電壓 。測量電路如圖5所示，改變電阻箱的阻值，用萬用表量出各種阻值下太陽能電池和

6、電阻箱兩端的電壓，算出電流測量結(jié)果如表1所示：表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄 項(xiàng)目次數(shù)12345678 若用戶備有直流可調(diào)電源，則可采用圖6實(shí)驗(yàn)線路：正向偏壓在變化條件下，用固定電阻取代電阻箱（但電阻值必須準(zhǔn)確，否則計(jì)算電流值時(shí)將有較大的誤差，把測量結(jié)果記錄到表2中 。表2全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄由，當(dāng)較大時(shí)，即，通過線性關(guān)系求出: ,的值。 2.不加偏壓，在使用遮光罩條件下，保持白光源到太陽能電池距離，測量太陽能電池的輸出對太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系，測量電路請自擬 。把測量結(jié)果記錄到表。表恒定光照下太陽能電池在不加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄WW20

7、0440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003測量太陽能電池和與相對光強(qiáng)的關(guān)系，用光強(qiáng)計(jì)測定不同光源距離時(shí)的光強(qiáng)值。短路電流可以直接用萬用表的直流電流檔量出，開路電壓則直接用萬用表的直流電壓檔量出。把測量結(jié)果記錄到表4中：表4 太陽能電池和與相對光強(qiáng)的關(guān)系光源距離1520232527293031

8、32333435【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄42.612.510.4911.502.4430.152.590.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2719.902.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.71，相關(guān)系數(shù)，電流與電壓的指數(shù)關(guān)系得到驗(yàn)證。表2全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄0.4001.4982.03

9、42.2862.4102.4880.010.391.402.533.464.160.010.391.402.533.464.162.6012.6542.7272.7872.8532.9285.466.217.498.7910.4112.765.466.217.498.7910.4112.76由，當(dāng)較大時(shí)，即由最小二乘法，將表2中最后6點(diǎn)數(shù)據(jù)處理得以下結(jié)果：， , 相關(guān)系數(shù) 。表恒定光照下太陽能電池在無偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄WW2000.2251.12500.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.

10、4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.038414001.5911.13641.808170003.670.52431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.33478

11、0003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.07503.2358300003.880.12930.501830003.111.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.3

12、05834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.8012表4 太陽能電池和與相對光強(qiáng)的關(guān)系光源距離151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.960

13、0.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.68330.4180.248960.493.65340.3320.197740.413.59350.2370.141160.323.51從圖10和圖11中找出及與相對光強(qiáng)的近似函數(shù)關(guān)系為： (5) (6)利用最小二乘法擬合，得，相關(guān)系數(shù)；，相關(guān)系數(shù) 。從最小二乘法擬合中，可知對短路電流和開路電壓關(guān)系式（5）式和（6）式成立。FB736型太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀使用說明書一概述：能源的重要性人人皆知，

14、由于煤、石油、天然氣等主要能源的大量消耗，能源危機(jī)已成為世人關(guān)注的全球性問題。為了經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)，人們正大量開發(fā)其它能源如水能、風(fēng)能及太陽能的利用。其中以硅太陽能電池作為綠色能源其開發(fā)和利用大有發(fā)展前景。本儀器提供的實(shí)驗(yàn)，意在提高學(xué)生對太陽能電池的特性的認(rèn)識，學(xué)習(xí)研究太陽能電池的基本光電特性，學(xué)會電學(xué)與光學(xué)的一些重要實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理方法?？捎帽緝x器做下列實(shí)驗(yàn)：1在沒有光照時(shí)，太陽能電池作為一個(gè)二極器件（類似二極管），測量在正向偏壓時(shí)該二極器件的伏安特性曲線，并求出其正向偏壓時(shí)，電壓與電流關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。2測量太陽能電池的短路電流、開路電壓、最大輸出功率及填充因子。3測量太陽能電池的短路電流、開路電壓與相對光強(qiáng)的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系。本儀器可用于高?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)性、研究性的物理實(shí)驗(yàn)，也可用于中學(xué)生物理奧林匹克競賽培訓(xùn)等使用 。二儀器簡介：本實(shí)驗(yàn)儀器主要由射燈形白熾燈光源（）