精選太陽(yáng)能電池特性研究實(shí)驗(yàn)論文

1、精選太陽(yáng)能電池特性研究實(shí)驗(yàn)論文本科生實(shí)驗(yàn)論文太陽(yáng)能電池特性研究論文作者：郭海生專 業(yè)：物理學(xué)年 級(jí)：大二學(xué) 號(hào)：1408405070指導(dǎo)老師：吳茂成完成日期：2023年12月15日摘要：本文對(duì)硅太陽(yáng)能電池中的單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性、開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化、輸出特性作了初步的分析和研究.關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池特性、單晶、多晶、非晶、暗伏安特性、開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化、輸出特性、填充因子、轉(zhuǎn)換效率引言：太陽(yáng)能是人類最早認(rèn)識(shí)并加以利 用的能源之一。20世紀(jì)以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展和人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng)。太陽(yáng)能資源具有數(shù)量巨大、時(shí)

2、間長(zhǎng)久、普照大地、清潔平安 的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的開發(fā)潛能。同時(shí)太陽(yáng)能有分散性、間斷性和不穩(wěn)定性、效率低和本錢高的缺點(diǎn)，制約著太陽(yáng)能的普及使用，這需要科研設(shè)計(jì)來(lái)克服。通過研究三種太陽(yáng)能電池的光電特性，了解各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為太陽(yáng)能電池開展搞清方向。正文1.太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池是一種能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件，也稱光伏電池或光電池。美國(guó)的Bell實(shí)驗(yàn)室于1954年研制成功第一塊太陽(yáng)能電池，但是效率太低，造價(jià)又過于昂貴，因此沒有多少商業(yè)價(jià)值。后來(lái)由于航天科技的逐步開展，太陽(yáng)能電池所起的作用變得越來(lái)越重要，在太空飛行器中太陽(yáng)能電池成為必不可少的重要元件，這也促進(jìn)了太陽(yáng)能電池的開發(fā)研究。由于許多新技術(shù)的采

3、用，太陽(yáng)能電池的效率有了很大提高，新南威爾士大學(xué)的科研人員MartinA.Green領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，已經(jīng)使單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.7。太陽(yáng)能電池依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以有不同的分類方法，根據(jù)太陽(yáng)能電池技術(shù)的成熟程度來(lái)劃分，可以分成以下幾個(gè)階段：第1代太陽(yáng)能電池，主要是晶體硅太陽(yáng)能電池；第2代太陽(yáng)能電池，主要是各種薄膜太陽(yáng)能電池；第3代太陽(yáng)能電池，主要是各種新概念太陽(yáng)能電池。根據(jù)太陽(yáng)能電池使用的根本材料來(lái)劃分，可以分為硅太陽(yáng)能電池、化合物太陽(yáng)能電池、有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池和燃料敏化太陽(yáng)能電池等幾種。根據(jù)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，可以將太陽(yáng)能電池分為晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池兩大類。本文對(duì)硅太

4、陽(yáng)能電池中的單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性、開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化、輸出特性作了初步的分析和研究.2.開展太陽(yáng)能意義隨著技術(shù)的改善、產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和本錢的降低，對(duì)太陽(yáng)能的興趣將進(jìn)一步增加。太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同價(jià)，即未經(jīng)補(bǔ)貼的太陽(yáng)能本錢等同或低于傳統(tǒng)電網(wǎng)的本錢。管理咨詢公司麥肯錫公司的一項(xiàng)分析預(yù)測(cè)說，到2023年，至少有10個(gè)光照強(qiáng)烈的地區(qū)將實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同價(jià)。但是這些地區(qū)幾乎可以肯定是在意大利、日本、西班牙和美國(guó)等興旺國(guó)家的內(nèi)部。對(duì)于開展中國(guó)家，即便實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)同價(jià)，仍然需要離網(wǎng)的解決方案，從而為偏遠(yuǎn)社區(qū)提供能源。盡管和大規(guī)模電網(wǎng)連接的太陽(yáng)能系

5、統(tǒng)的本錢將隨著太陽(yáng)能板價(jià)格的下降而下降，更小的離網(wǎng)系統(tǒng)不太可能出現(xiàn)類似的本錢降低，這局部是由于電池的價(jià)格仍然很高。電池可能占一個(gè)離網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)本錢的至多40%。而且替換電池還有額外的費(fèi)用，因?yàn)殡姵氐膲勖惶赡芎吞?yáng)能板一樣長(zhǎng)。電器的效率也對(duì)離網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)的供電本錢有巨大的影響。例如，一位有把PV系統(tǒng)引入開展中國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)的德國(guó)工程師估計(jì)，如果一個(gè)村莊能分別安裝節(jié)能燈和新型的冰箱和電腦，那么向村莊供應(yīng)離網(wǎng)太陽(yáng)能電力的本錢可能從3.5萬(wàn)美元降低到僅8300美元3.太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池的制作材料多種多樣，有硅.硒.砷化鎵.硫化鎘等，但目前在全球占據(jù)主導(dǎo)地位的主要是硅材料太陽(yáng)能電池，因此本文

6、中主要以硅材料太陽(yáng)能電池為代表來(lái)討論太陽(yáng)能電池的工作原理。晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，晶體硅太陽(yáng)能電池是用硅材料制成大面積pn結(jié)進(jìn)行工作的，一般是以P型硅半導(dǎo)體材料作為基質(zhì)材料，在P型硅外表擴(kuò)散出一層很薄的經(jīng)過重?fù)诫s的n型層，然后在n型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極，在整個(gè)反面制作作為反面接觸電極的金屬膜。太陽(yáng)能電池的外表一般會(huì)做絨面處理或覆蓋減反射膜以減少光的反射損失。當(dāng)太陽(yáng)能電池外表的pn結(jié)受到太陽(yáng)光的照射時(shí)，如果入射光子的能量高于硅材料的禁帶寬度，那么在n區(qū)、P區(qū)和結(jié)區(qū)中會(huì)因光子被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在結(jié)附近的n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子會(huì)因?yàn)榇嬖跐舛忍荻榷鴶U(kuò)散。如果少數(shù)載流

7、子離pn結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，就會(huì)有擴(kuò)散到結(jié)界面處的幾率。在結(jié)區(qū)即P區(qū)與n區(qū)交界面的兩側(cè)存在一個(gè)被稱為耗盡層的空間電荷區(qū)。在耗盡層內(nèi)的正負(fù)電荷間會(huì)形成一個(gè)方向由n區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子空穴會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)拉向P區(qū)，而擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子電子會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)拉向n區(qū)，結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)分別拉向n區(qū)和P區(qū)。在外電路處于開路狀態(tài)的情況下，這些光生電子和空穴會(huì)積累在pn結(jié)附近，結(jié)果使P區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負(fù)電荷，在pn結(jié)上就會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)，也稱光伏效應(yīng)，太陽(yáng)能電池就是根據(jù)光伏效應(yīng)工作的。 太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能

8、是依賴自然光中的的量子-光子而每個(gè)光子所攜帶的能量為Eph:Eph()= EQ F(hc,) 式中：h表示普朗克常數(shù)6.626*10-34J.S,c表示光速3*108m/s, 表示光子波長(zhǎng)。在不同的光譜中光子所攜帶的能量不樣，當(dāng)光子所攜帶的能量假設(shè)大于能隙，便可以由轉(zhuǎn)換為電能，假設(shè)光子所攜帶得能量小于能隙時(shí)，光子沒有足夠的能量來(lái)形成電子空穴對(duì)，不會(huì)產(chǎn)生任何的電流，因此并非所有光子都能順利地由太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能。電池的能隙由電池材料決定對(duì)于晶體硅，約為1.1ev，一般太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率在20左右。4.實(shí)驗(yàn)過程1硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無(wú)光照射時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能電池的電流與

9、外加電壓之間的關(guān)系。圖6 伏安特性測(cè)量接線原理圖用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池。測(cè)試原理圖如圖6所示。將待測(cè)的太陽(yáng)能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出接口，電阻箱調(diào)至50后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。記錄到表1中。 將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出接口的兩根連線互換，即給太陽(yáng)能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。電壓(V)表1 三種太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量電流(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-7.5-1.7-1-0.082-7-1.5-0.9-0.076-

10、6-1.3-0.6-0.066-5-1-0.4-0.055-4-0.8-0.2-0.044-3-0.6-0.142-0.033-2-0.4-0.075-0.022-1-0.2-0.033-0.01100000.300.0110.0030.60.10.0290.0060.90.20.0670.0091.20.30.10.0131.50.50.30.0161.80.80.80.022.11.72.10.0252.44.56.50.0352.610.815.90.0482.829.841.40.0692.950.967.30.087387.5107.80.113.10.1423.20.23.50.5

11、3.714.34.64.914.55.531648.6實(shí)驗(yàn)結(jié)論：加反向電壓時(shí)，單晶硅電流大于多晶硅，大于非晶硅，而且電流非常小，說明加反向電壓時(shí)阻礙非常大。加正向電壓時(shí)，單晶硅一開始把多晶硅大，但很快被超過，而且值較大并且升得快，而非晶硅的電流值一直最小，而且到5V才明顯增大。2開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量翻開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。翻開遮光罩。將光功率探頭裝在太陽(yáng)能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀的“光強(qiáng)輸入接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測(cè)量。由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離每次增加5的光強(qiáng)I,記錄對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值.然后將光功率探頭換成單晶硅太陽(yáng)能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表

12、狀態(tài)按圖2A接線。按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值光強(qiáng)距離每增加5cm記錄對(duì)應(yīng)的開路電壓值Uoc。再按圖2B接線將太陽(yáng)能電池輸出線連接到電流表，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值光強(qiáng)己知距離每增加5cm記錄對(duì)應(yīng)的短路電流值Isc。將單晶硅太陽(yáng)能電池?fù)Q成多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池重復(fù)以上操作。將測(cè)得的光強(qiáng)I，三種太陽(yáng)能電池的開路電壓值Uoc、短路電流值Isc記錄在表2中。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分別作太陽(yáng)能電池的開路電壓、短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。表2 三種太陽(yáng)能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系距離cm101520253035404550光強(qiáng)IW/m2107254029218212792725848單晶硅開路電壓VocV2.9

13、82.852.752.672.612.552.52.452.4短路電流IscmA)132.157.131.720.214.110.58.16.65.4多晶硅開路電壓VocV2.932.782.672.582.52.432.372.322.27短路電流IscmA)91.640.323.615.210.98.26.55.24.3非晶硅開路電壓VocV3.383.253.163.083.022.972.922.882.85短路電流IscmA)17.27.64.22.61.81.310.80.7實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1距離越大，光強(qiáng)越小 2光強(qiáng)越小，三種太陽(yáng)能電池的開路電壓與短路電流都變小 3光強(qiáng)變小時(shí)，開路電壓

14、改變較平緩，而短路電流一開始下降趨勢(shì)較大，然后趨勢(shì)較小3.測(cè)量太陽(yáng)能電池輸出特性將單晶硅太陽(yáng)能電池板安裝到支架上，并將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置如20cm，一定光照強(qiáng)度下,以電阻箱作為太陽(yáng)能電池負(fù)載。通過改變電阻箱的電阻值記錄太陽(yáng)能電池的輸出電壓U和電流I,并計(jì)算輸出功率P=UI，將其記錄在表3中。將單晶硅太陽(yáng)能電池?fù)Q成多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池重復(fù)以上操作并分別計(jì)算三種太陽(yáng)能電池的填充因子和轉(zhuǎn)換效率。表3 三種太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) D=20 光強(qiáng)I=292W/ S=2.5*10-3m Pin=IS=730mW注：入射到太陽(yáng)能電池板上的光功率Pin=IS,I為光強(qiáng)，S為太陽(yáng)能電池板面積,S

15、=2.5*10-3m。電壓U(V)00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.32.42.52.62.72.8單晶硅電流I(mA)32.131.731.631.431.130.930.830.730.630.429.928.32621.812.8電阻R061219253239465360687990112199功率P(mW)06.3412.6418.8424.8830.936.9642.9848.9654.7259.862.2659.852.3232多晶硅電流I(mA)23.122.92221.320.820.520.320.220.1202019.518.314.56.4

16、電阻R091828394960718192102115128169399功率P(mW)04.588.812.7816.6420.524.3628.2832.16364042.942.0934.816非晶硅電流I(mA)4.44.34.34.24.13.93.83.63.332.621.81.41.20.90.60.4電阻R048961461992593263994946147901090131916492149294942496649功率P(mW)00.861.722.523.283.94.565.045.285.45.24.44.143.3632.341.621.12。根據(jù)表3數(shù)據(jù)和圖可以得

17、出三種太陽(yáng)能電池的最正確匹配負(fù)載分別為：?jiǎn)尉Ч瑁?9，多晶硅：116，非晶硅：7054填充因子FF定義為：FF= EQ F(Pmax,Uoc*Isc) 填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.75到0.8之間。轉(zhuǎn)換效率s定義為：s= EQ F(Pmax,Pin) 100% 圖5不同光照條件下的U-I曲線Pin為入射到太陽(yáng)能電池外表的光功率。 理論分析及實(shí)驗(yàn)說明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長(zhǎng)，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將假設(shè)干電池單元并聯(lián)，為得到所需輸出電壓，通常將假設(shè)干己并聯(lián)的電池組串連，組成電池板。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽(yáng)能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將假設(shè)干單元并聯(lián)。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)計(jì)算三種太陽(yáng)能電池的填充因子：表4 三種太陽(yáng)能電池的填充因子三種太陽(yáng)能電池的填充因子光強(qiáng)強(qiáng)度：W/m2單晶硅多晶硅非晶硅開路電壓VocV2.752.673.16短路電流Isc(mA31.723.64.2Isc*Voc81.17563.01213.272Pmax62.8643.105.45填充因子72.1%68.4%41.1