太陽能電池基本特性測定實驗

1、太陽能電池根本特性測定實驗太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件， 是一個半導體光電二極 管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池 串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比擬大的輸出功率的太陽能電池方陣了。 太陽能電池是一種大有前途的新 型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點 . 太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可 以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多 層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電

2、池四大類，其中硅太陽能電池是目前開展最成熟的，在應(yīng)用 中居主導地位。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于單晶硅本錢價格高，大幅度降低其 本錢很困難，為了節(jié)省硅材料，開展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比擬 , 本錢低廉， 而效率高于非晶硅薄膜電池， 其實驗室最高轉(zhuǎn)換效 率為 18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在

3、太陽能電地市場上占據(jù)主 導地位。非晶硅薄膜太陽能電池本錢低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于 其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。太陽能的利用和太陽能電池的特性研究是 21 世紀的熱門課題， 許多興旺國家正投入大量人力物力對 太陽能接收器進行研究。我們開設(shè)此太陽能電池的特性研究實驗，通過實驗了解太陽能電池的電學性質(zhì) 和光學性質(zhì)，并對兩種性質(zhì)進行測量。該實驗作為一個綜合設(shè)計性的物理實驗，聯(lián)系科技開發(fā)實際，有 一定的新穎性和實用價值?！?實驗?zāi)康?】1. 無光照時，測量太陽能電池的伏安特性曲線；2. 有光照時，測量電池在不同負載電阻下， I

4、對 U 變化關(guān)系，畫出 I U 曲線圖；并測量太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大輸出功率 Pmax及填充因子FF ；3. 測量太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc與光照度L的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系。實驗儀器 】 白熾燈源、太陽能電池板、光照度計、電壓表、電流表、滑線變阻器、穩(wěn)壓電源、單刀開關(guān) 連接導線假設(shè)干【實驗原理】太陽光照在半導體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由 n區(qū)流向p區(qū), 電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光伏效應(yīng)太陽能電池的工作原理。在沒有光照時，可將太陽能電池視為一個二極管qUI Io enKT1,其正向偏壓

5、U與通過的電流I的關(guān)系為(1)其中Io是二極管的反向飽和電流n是理想二極管參數(shù)理論值為1。K是玻爾茲曼常量，q為電子的電荷量,T為熱力學溫度?？闪蠲黱Kl由半導體理論知，二極管主要是由如下列圖的能隙為EC EV的半導體所構(gòu)成。EC為半導體導電帶，EV為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子被半導體所吸收，并產(chǎn)生電子-空穴對。電 子-空穴對受到二極管內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。0 電子導電帶(EJ光子/WWW* :能隙空穴協(xié)電帶化圖1光伏效應(yīng)示意圖太陽能電池的根本技術(shù)參數(shù)除短路電流I SC和開路電壓U OC外，還有最大輸出功率Pmax和填充因子FF。最大輸出功率Pm

6、ax也就是IU的最大值。填充因子 FF定義為FF值越大，說明太陽能電池對光的利用率越高。FFimaxI SCU OCFF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)?！緦嶒瀮?nèi)容及步驟】I U特性直流偏壓從 0 3.0V全黑的條件下，測量單晶硅太陽能電池正向偏壓時的 1連接電路圖。KJIL十穩(wěn)壓電源一 LD 太陽能電池板 + -圖2 I U特性測量電路2利用測得的正向偏壓時I U關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出I U曲線并求出常數(shù)需T和I。的值。2. 在不加偏壓時，用白色光照射，測量多晶硅太陽能電池一些特性。注意此時光源到太陽能電池距離保 持為20cm1連接電路圖。圖3 恒定光源太陽能電池特性實驗2測量電池在不同負載電

7、阻下，I對U變化關(guān)系，畫出I U曲線圖。3求短路電流Isc和開路電壓Uoc。4求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負載電阻。5計算填充因子FF改變太陽能電池到光源的距離，用光照度計測量該處的光照度 L，測量太陽能電池接受到不同光照度L時，相應(yīng)的和Uoc的值。1設(shè)計測量電路圖，并連接。(2) 測量太陽能電池接受到不同光照度L時相應(yīng)的| SC和U oc的值。(3) 描繪Isc和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求Isc與光照度L之間的近似關(guān)系函數(shù)。(4) 描繪Uoc和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求 Uoc與光照度L之間的近似關(guān)系函數(shù)?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1 全暗情況下太陽能電池板倒扣在黑橡膠桌面上太陽能

8、電池在外加偏壓時伏安特性測量： 連接電路如圖2,結(jié)果填入表1。表1太陽能電池正向偏壓時的 I U特性U (V)456789101112131415161718I(mA)用坐標紙畫出太陽能電池正向偏壓時的I U特性曲線，并求出常數(shù)和|0的值/(/nA I2. 在不加偏壓時，把太陽能電池板倒扣在投影儀玻璃面上，緊貼投影儀玻璃面，測量不同負載時太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系。并測量短路電流|sc和開路電壓Uoc,計算最大輸出功率Pmax和填充因子FF。連接電路如圖3，結(jié)果填入表2。表2不同負載時太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系R( Q )51015202530354

9、04550U(v)I (mA)P(mW)R( Q )556065707580859095100U(v)I (mA)P(mW)Uoc =FF =畫出R-P曲線圖，求出Pma和對應(yīng)的太陽能電池r.多晶硅太陽能電池板I sc和U OC與光照度L的關(guān)系。表3太陽能電池板的Isc和UOC與光照度L的關(guān)系Lo =(lux)照度計緊貼投影儀玻璃面h (lux)05101520253035L(lux)I SC (mA)U oc (V)(lux)(lux)畫出L-Isc曲線圖及L-Uoc曲線圖.3。4. 把多晶硅太陽能電池板換成單晶硅太陽能電池板，重復實驗報告要求 】1. 寫明本實驗的目的、意義。2. 說明本實驗的根本原理。3. 記下實驗所用儀器和裝置。4. 記錄實驗的全過程，包括實驗步驟，各種實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等。5. 對實驗結(jié)果進行分析、研究和討論。6. 本實驗的總結(jié)、收獲、體會，也可提出自己新的設(shè)想。7. 對教學工作的意見和建議?？记绊氈?】1. 連接電路時，保持太陽能電池無光照條件。2. 連接電路時，保持電源開關(guān)斷開。3. 翻開白幟燈光源時間盡量要短，注意隨時關(guān)掉。思考題 】1. 太陽能電池是由什么材料做成的？它的工作原理？2. 何謂短路電流 ？何謂開