SLXY型太陽能電池特性研究與應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)

1、太陽能電池特性研究與應(yīng)用（SLXY型太陽能電池特性研究與應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)儀）實(shí)驗(yàn)講義蘇州科技學(xué)院研制杭州精科儀器有限公司實(shí)驗(yàn)一、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

2、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，作伏安特性曲線圖，由圖求得它的短路電流()、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?！緦?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

3、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(huì)被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會(huì)分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(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

4、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板、數(shù)字萬用表1只（用戶自備）、電阻箱1只（用戶自備）、碘鎢燈白光光源1只（功率）、直流穩(wěn)壓電源（連續(xù)可調(diào)）、導(dǎo)線若干、遮光罩1個(gè)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1在無光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池施加正向偏壓時(shí)的特性：（1）按實(shí)驗(yàn)要求畫出測量的實(shí)驗(yàn)線路圖；（2）根據(jù)正向偏壓時(shí)關(guān)系測量數(shù)據(jù)，畫出曲線并求得常數(shù)和的值。2在白光光源照射下，不加偏壓，測量太陽能電池光照特性。注意此時(shí)光源到太陽能電池距離保持不變。（1）畫出測量線路圖。（2）測量電池在不同負(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

5、電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率和最大輸出功率時(shí)對應(yīng)的負(fù)載電阻。（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），我們把太陽能電池在距離白光光源的水平距離接受到的光照強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，然后改變太陽能電池到光源的距離，根據(jù)光照強(qiáng)度和距離成反比的原理，計(jì)算出各點(diǎn)對應(yīng)的相對光照強(qiáng)度的數(shù)值。測量太陽能電池在不同相對光照強(qiáng)度時(shí)，對應(yīng)的短路電流和開路電壓的值。（1）描繪短路電流和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求短路電流和與相對光照強(qiáng)之間近似函數(shù)表達(dá)式。 （2）描繪出開路電壓和相對光照強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求開路電壓與相對光照強(qiáng)度之間近似函數(shù)表達(dá)式?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)

6、僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考，不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，）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與電阻箱兩端的電壓，算出電流測量結(jié)果如表所示：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50.001.212.9559.01.77145.001.272.8964.21.80840.001.332.8370.81.85035.001.462.7578.61.89530.001.492.6789.01.94925.001.592.57102.82.01220.001.722.44122.02.

7、08615.001.882.27151.32.1808.002.251.91238.82.3785.002.511.64328.02.5162.003.001.16580.02.7631.003.310.84840.02.9240.004.160.001360.03.134 根據(jù)圖可以看到，電流與電壓的指數(shù)關(guān)系得到驗(yàn)證。如果用直流可調(diào)電源，則可采用下面圖實(shí)驗(yàn)電路：正向偏壓在變化條件下，取 。實(shí)驗(yàn)步驟與表格請同學(xué)自擬。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電流對太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系，測量電路與圖一樣。測量結(jié)果如表所示：表恒定光照下太陽能電池在不加

8、偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄W50.51102.052.0101.02102.0104.0151.51100.7152.0202.04102.0208.1252.53101.2256.0302.9999.7298.0353.50100.0350.0403.9298.0384.2454.4097.8430.2504.6893.6438.0554.9590.0445.5605.0984.8431.8655.2480.6422.4705.3576.4408.9755.3771.6384.5805.4468.0369.9855.4564.1349.4905.5561.7342.3955.5558.4324.

9、21005.5755.7310.21505.6537.7212.82005.7929.0167.65005.8511.768.48005.877.343.110005.885.934.6由圖9得短路電流，開路電壓。太陽能電池在光照時(shí)，輸出功率與負(fù)載電阻的關(guān)系如圖所示，由圖可得到最大輸出功率：，此時(shí)負(fù)載電阻，于是得填充因子如下： 。3測量太陽能電池短路電流和開路電壓與相對光照強(qiáng)度 的相對關(guān)系，對于短路電流可以直接用萬用表的電流檔測量，開路電壓可以直接用萬用表的電壓檔測量。把測量結(jié)果記錄在表中：表 太陽能電池短路電流、開路電壓與相對光照強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系燈與太陽能電池距離相對光照強(qiáng)度500.40022.

10、75.64480.41724.75.69460.43525.85.71440.45527.75.76420.47630.95.80400.50033.25.83380.52635.55.87360.55639.85.91340.58844.25.95320.62548.05.99300.66753.26.02280.71460.96.08260.76969.86.11240.83378.86.13220.90989.56.16201.000101.56.20從圖和圖中找出短路電流、開路電壓與相對光強(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

11、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。參考資料：1賈玉潤、王公治、凌佩玲 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，19862茅傾青、潘立棟、陳駿逸、陸申龍 太陽能電池基本特性測定實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)，第24卷第11期，2004.11實(shí)驗(yàn)二、太陽能電池的應(yīng)用及相關(guān)電路實(shí)驗(yàn)太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到以上；到年，可再生能源將占總能耗的以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到

12、以上，太陽能發(fā)電將占到以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。目前太陽能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點(diǎn)決定了它們在不同應(yīng)用中擁有不可替代的地位。但是，未來年晶體硅太陽能電池所占份額盡管會(huì)因薄膜太陽能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導(dǎo)地位仍不會(huì)根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉(zhuǎn)換效率不高、制備薄膜電池所用設(shè)備價(jià)格昂貴等問題，會(huì)有巨大的發(fā)展空間。1 利用太陽能電池對法拉電容進(jìn)行充電，模擬光伏電能的產(chǎn)生和儲(chǔ)存過程：實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1） 按圖，在九孔板上插上相應(yīng)元器件，并用導(dǎo)線或短接橋接通電路,如圖1a 。

13、（2） 太陽能電池板和白光光源裝在光具座上，相對距離取。（3） 閉合白光光源電源開關(guān)，閉合開關(guān)讓太陽能電池板產(chǎn)生的電壓對法拉電容充電，充電電流大小由電流表指示。（4） 當(dāng)電容充電充足后約等于，即相當(dāng)于一個(gè)電池組。可以對外供電。2直流升壓就是將較低的直流電壓（如電池），提升到需要的直流電壓值。其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于電路的一種類型。 在使用電池供電的便攜設(shè)備中，都是通過直流升壓電路獲得電路中所需要的高電壓，這些設(shè)備包括：手機(jī)、傳呼機(jī)等無線通訊設(shè)備、照相機(jī)中的閃光燈、便攜式視頻顯示裝置、電蚊拍等電擊設(shè)備等等。本

14、實(shí)驗(yàn)是將太陽能電池產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓，演示實(shí)際的升壓系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）在九孔實(shí)驗(yàn)板上按圖2選擇元器件并連接實(shí)驗(yàn)線路如圖2a 。（2）將太陽能電池的輸出電壓作為線路的輸入電壓，閉合開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié),使電壓表顯示輸出電壓值等于。(3) 按圖3線路連接實(shí)驗(yàn)線路,重復(fù)以上步驟.。3.用光控的應(yīng)急電路實(shí)驗(yàn):參照以上內(nèi)容,自擬實(shí)驗(yàn)步驟。4簡單的光通訊演示實(shí)驗(yàn)：SLXY型太陽能電池特性研究與應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)儀使用說明書一、概 述能源的重要性人人皆知，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

15、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(shí)，學(xué)習(xí)研究太陽能電池的基本光電特性，學(xué)會(huì)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。可用本儀器做下列實(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(即)。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)表達(dá)式。4 太陽能電池的充、放電實(shí)驗(yàn)5 應(yīng)急本儀器可用于高校、中專、職?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)性、研究性

16、的物理實(shí)驗(yàn)，也可用于物理奧林匹克競賽培訓(xùn)用。二、儀器簡介本實(shí)驗(yàn)儀器主要由碘鎢燈白光光源（）、光具座、帶暗盒的太陽能電池、型傳感器專用信號(hào)源、黑色有機(jī)玻璃遮光罩、電阻箱1只（自備）、數(shù)字式萬用電表1只（自備）、九孔實(shí)驗(yàn)板、各種盒式元器件（附詳細(xì)清單）、專用導(dǎo)線等組成三、元器件技術(shù)規(guī)格SLXY型太陽能電池特性研究及應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)儀清單序號(hào)元器件名稱規(guī)格單位數(shù)量1集成電路MC34063，(64×64元件盒)個(gè)12集成電路LM358放大器LM358雙運(yùn)放，(64×64元件盒)個(gè)13電感變壓器(64×64元件盒)個(gè)14200H電感器(64×32元件盒)個(gè)1591C4

17、電流表0-100mA，(64×64元件盒)個(gè)2691C4電壓表0-15V，(64×64元件盒)個(gè)27NPN三極管8050，(64×32元件盒)個(gè)185發(fā)光紅色高亮發(fā)光管(32×16元件盒)個(gè)195白色帶阻高亮發(fā)光管串1k限流電阻，(32×16元件盒)個(gè)310多圈電位器10k，（64×32元件盒）個(gè)111電位器47k，（64×32元件盒）個(gè)112光電三極管3DU5，串1k電阻，(32×6元件盒)個(gè)1139.1V穩(wěn)壓塊1N4742， (32×16元件盒）個(gè)114肖特基二極管1N5822， (32×1

18、6元件盒)個(gè)115二極管1N4007， (32×16元件盒)個(gè)216固定電阻器180/0.5W， (32×16元件盒)個(gè)117固定電阻器47k/0.5W， (32×16元件盒)個(gè)218固定電阻器0.22/2W，(32×16元件盒)個(gè)119固定電阻器2.2k/1W，(32×16元件盒)個(gè)120固定電阻器20k/1W，(32×16元件盒)個(gè)121固定電阻器10k1W， (32×16元件盒)個(gè)222固定電阻器103W， (32×16元件盒)個(gè)123固定電阻器1k/0.5W，(32×16元件盒)個(gè)224固定電阻器203W， (32×16元件盒)個(gè)125固定電阻器4.7k/0.5W，(32×16元件盒)個(gè)