太陽(yáng)能電池伏安特性曲線的測(cè)定

1、太陽(yáng)能電池伏安特性曲線的測(cè)定光信息科學(xué)與技術(shù) 摘要：本文將太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)化為一二極管與一電流源并聯(lián)，通過(guò)測(cè)量其無(wú)光照時(shí)的伏安曲線以及其一定光照下的短路電流以及開(kāi)路電壓并計(jì)算樣品的填充因子，了解太陽(yáng)能電池基本特性。關(guān)鍵字：太陽(yáng)能電池 伏安特性曲線 短路電流 開(kāi)路電壓 填充因子引言：太陽(yáng)能是一種新能源，對(duì)太陽(yáng)能的充分利用可以解決人類(lèi)日趨增長(zhǎng)的能源需求問(wèn)題。目前，太陽(yáng)能的利用主要集中在熱能和發(fā)電兩方面。利用太陽(yáng)能發(fā)電目前有兩種方法，一是利用熱能產(chǎn)生蒸氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，二是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能的利用和太陽(yáng)能電池的特性研究是21 世紀(jì)的熱門(mén)課題，許多發(fā)達(dá)國(guó)家正投入大量人力物力對(duì)太陽(yáng)能接收器進(jìn)行研究。為此，我

2、們通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量增進(jìn)我們對(duì)太陽(yáng)能電池的了解。原理簡(jiǎn)述：太陽(yáng)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(méi)有光照時(shí), 可將太陽(yáng)能電池視為一個(gè)二極管,其正向偏壓與通過(guò)的電流的關(guān)系為 (1)其中是二極管的反向飽和電流,是理想二極管參數(shù),理論值為1。是玻爾茲曼常量,為電子的電荷量,為熱力學(xué)溫度。（可令）由半導(dǎo)體理論知,二極管主要是由如圖所示的能隙為的半導(dǎo)體所構(gòu)成。 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)，光子被半導(dǎo)體所吸收，并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。 電子-空穴對(duì)受到二極管內(nèi)電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。光電流示意圖太陽(yáng)能電池的基本

3、技術(shù)參數(shù)除短路電流和開(kāi)路電壓外, 還有最大輸出功率和填充因子。最大輸出功率也就是的最大值。填充因子定義為 (2)是代表太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。值越大,說(shuō)明太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率越高。假設(shè)太陽(yáng)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(yáng)能電池在光照時(shí)的等效電源輸出電流，為光照時(shí)通過(guò)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池可簡(jiǎn)化為圖所示電路。這里，。在短路時(shí)，；而在開(kāi)路時(shí)，； （4）（4）式即為在和的

4、情況下，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和短路電流的關(guān)系式。其中為開(kāi)路電壓，為短路電流，而、是常數(shù)。1.無(wú)光照時(shí)，測(cè)量太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線在全暗的情況下，測(cè)量太陽(yáng)能電池正向偏壓下流過(guò)太陽(yáng)能電池的電流和太陽(yáng)能電池的輸出電壓 。測(cè)量電路如圖所示；由，當(dāng)較大時(shí)，即由最小二乘法，將表中數(shù)據(jù)處理求出: ,和相關(guān)系數(shù)值 。2.測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流、開(kāi)路電壓、最大輸出功率及填充因子不加偏壓，在使用遮光罩條件下，保持白光源到太陽(yáng)能電池距離，測(cè)量太陽(yáng)能電池的輸出對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系，測(cè)量電路如圖所示；數(shù)據(jù)記錄及處理：全暗情況下太陽(yáng)能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄U1(V)0.7001.2001.5111.

5、8041.9192.1552.2442.307U2(mV)20.556.197.6162.3199.9303.3356.2399.4I(A)20.556.197.6162.3199.9303.3356.2399.4U1(V)2.3512.4122.4232.4572.4682.4732.4812.486U2(mV)432.6482.9492.7524.6532.1541.3549.6553.8I(A)432.6482.9492.7524.6532.1541.3549.6553.8由，當(dāng)u較大時(shí)，即得，使用matlab進(jìn)行最小二乘法擬合，將表中后8-16點(diǎn)數(shù)據(jù)處理得以下結(jié)果： =1.8223 1

6、/V,=5.9611A相關(guān)系數(shù)r =0.9463全暗情況下太陽(yáng)能電池外加偏壓時(shí)的伏安特性曲線恒定光照下太陽(yáng)能電池在無(wú)偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄WW2000.55752.751.5331244002.9710.671.990573000.83002.742.274246002.9710.641.901444001.09702.722.9838448002.9780.621.846366001.61902.664.3065450002.9840.601.79048001.97602.504.9455002.9960.541.6178410002.2832.275.1824160003.0050.501

7、.502512002.4632.045.0245265003.0130.461.3859814002.5831.844.7527270003.0180.431.2977416002.6681.664.4288875003.0210.401.208418002.7261.514.1162680003.0280.371.1203620002.7761.383.8308885003.0330.361.0918822002.8161.273.5763290003.0370.341.0325824002.8311.183.34058100003.0430.300.912926002.8621.103.1

8、482200003.0730.150.4609528002.8851.032.97155300003.0820.100.308230002.9020.902.6118400003.0870.070.2160932002.9170.912.65447500003.0920.060.1855234002.9280.862.51808600003.0940.050.154736002.9390.812.38059700003.0960.040.1238438002.9480.772.26996800003.0980.030.0929440002.9570.7320990.0

9、30.0929742002.9630.702.0741恒定光照下太陽(yáng)能電池?zé)o偏壓時(shí)伏安特性曲線恒定光照下太陽(yáng)能電池?zé)o偏壓時(shí)輸出功率與負(fù)載電阻關(guān)系通過(guò)最小二乘法擬合曲線得出U=0時(shí)，短路電流=2.8731mA，最大輸出功率 =5.1824mW,利用公式以及第一問(wèn)求得的，得=3.3912V得出填充因子FF=0.5318誤差分析：系統(tǒng)誤差：電流表與電壓表內(nèi)阻以及導(dǎo)線內(nèi)阻接觸電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，最小二乘法擬合中對(duì)的忽略導(dǎo)致的誤差，因?yàn)閷?dǎo)線的接入導(dǎo)致遮光罩沒(méi)有完全密封，萬(wàn)用表自身精度有限。隨機(jī)誤差：萬(wàn)用表讀數(shù)不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)臺(tái)面有微小振動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)并不恒定，光源自身功率并非絕對(duì)恒定造成的誤差。結(jié)束語(yǔ)：綜上所述太陽(yáng)能電池的填充因子FF遠(yuǎn)小于理論上的最大值1，證明太陽(yáng)能電池制造工藝和結(jié)構(gòu)上尚還有提升空間；就實(shí)驗(yàn)本身而言，所得數(shù)據(jù)數(shù)值不大，在電路中直接串聯(lián)電流表測(cè)電流對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能有一定影響，在電路設(shè)計(jì)方面還可以進(jìn)一步改進(jìn)，最后要感謝電磁二室的