太陽(yáng)能電池-大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

1、太陽(yáng)能電池特性的測(cè)能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題，新能源用迫在眉睫。太陽(yáng)能是一 種取之盡、用之竭的新能源。太陽(yáng)電瀘可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī) 牌的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電的成本下很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽(yáng)能發(fā)電 有望在久的將來(lái)在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材的同，太陽(yáng)能電瀘可分為硅太陽(yáng)能電瀘，化合物太陽(yáng)能電瀘，聚合物太陽(yáng) 能電瀘，有機(jī)太陽(yáng)能電瀘等。其中硅太陽(yáng)能電瀘是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。大實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽(yáng)能電瀘的特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)太陽(yáng)能電瀘的發(fā)電的原-解太陽(yáng)電

2、瀘測(cè)原-對(duì)太陽(yáng)電瀘持性進(jìn)測(cè)實(shí)蹌原太陽(yáng)能電瀘用半導(dǎo)體 P-N結(jié)受光照射光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電瀘的基本結(jié)構(gòu)就是一面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)的空穴，幾乎沒 由電子N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)的自由電子， 沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N 時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空間電荷區(qū)圖1半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖時(shí)的個(gè)大有自幾乎結(jié)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載子向擴(kuò)散的 反方向作漂彩運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂彩達(dá)到平衡，使過 P-N結(jié)的注電為。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，

3、使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電瀘受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì) 壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過的電子而帶負(fù)電，p區(qū)有過的空穴而帶正電，p-n結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，將 P-N結(jié)兩端接入外電，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽(yáng)能電瀘負(fù)載電阻的大小，測(cè)其輸出電壓與輸出電，得到輸出*=月b伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為時(shí)測(cè)得的最大電【SC稱為負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓voc稱為開電壓。太陽(yáng)能電瀘的輸出功為輸出電壓與輸出電的 來(lái)積。同樣的電瀘及光照條件，負(fù)載電阻大小一樣 時(shí)，輸出的功是一樣的。以輸出電壓

4、為橫坐標(biāo)，輸出功為縱坐標(biāo)，繪出的 P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所 示。輸出電壓與輸出電的最大來(lái)積值稱為最大輸出 功 Pmax。PIscmaxil輸出電流I（輸出功率）圖2太陽(yáng)能電池的輸出特性V填充因子F.F定義為：(1)填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效越高，一般的硅光電池FF 值在0.750.8之間。轉(zhuǎn)換效 n s定義為：門(%) = Lmax X100%s Pin(2)Pin為入射到太陽(yáng)能電池表面的光功。論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在同的光照條件下，短電隨入射光功線性增長(zhǎng)，而開電壓在入 射光功增加時(shí)只微增加，如圖 3所示。硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電

5、池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三 種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室最高的轉(zhuǎn)換效為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效可達(dá)到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià)格高，大幅低其成本很困難，為節(jié)硅材，發(fā)展多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶 硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低，而效高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室 最高轉(zhuǎn)換效為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效可達(dá)到 10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在大夾的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低，重輕，于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛。如果能進(jìn)一步 解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換，無(wú)疑是太陽(yáng)能電池的主要

6、發(fā)展方向之一。實(shí)蹌儀器太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。圖4太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽(yáng)光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽(yáng)能電池之間的距離可以改變照射 到太陽(yáng)能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)并顯示電、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源：可以輸出08V連續(xù)可調(diào)的直電壓。為太陽(yáng)能電池伏安持性測(cè)提供電壓。電壓/光強(qiáng)表：通過“測(cè)轉(zhuǎn)換按鍵，可以測(cè)輸入“電壓輸入接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入 接口的光強(qiáng)探頭測(cè)到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓程 或“光強(qiáng)程，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電表：可以測(cè)并顯示0200mA的電，通過“電程選擇適當(dāng)?shù)娘@示范

7、圍。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性瀏喑伏安特性是指無(wú)光照射時(shí)，經(jīng)太陽(yáng)能電池的電與外加電壓之間的關(guān)系。太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽(yáng)能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普 通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電，通常將干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將干已并聯(lián)的電池組連。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，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的并連關(guān)系。大實(shí)哄供的組件是將干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫出單晶硅，多晶硅，非晶硅太陽(yáng)能電池組件 在無(wú)光照時(shí)的喑伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池。測(cè)試原圖如圖 5所示。將待測(cè)的太陽(yáng)能電池接到測(cè)試儀上的“電

8、壓輸出接口，電阻箱調(diào)至 50Q后連進(jìn)電起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)太陽(yáng)能電池兩端電壓，電表測(cè)回中的電。圖5 伏安特性測(cè)接線原圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.3V記一次電值。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，如給太陽(yáng)能電池加上反向的電 壓。逐漸增大反向電壓，記錄電隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。表1 3種太陽(yáng)能電池的喑伏安特性測(cè)電壓（V）電（mA）單晶硅多晶硅非晶硅-7-6-5-4-3-2-1討論太陽(yáng)能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。2開電壓，短電與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將無(wú)強(qiáng)探頭裝在太陽(yáng)能電池板位置探頭輸出

9、線連接到太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀的“無(wú) 強(qiáng)輸入接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“無(wú)強(qiáng)測(cè)。由近及遠(yuǎn)移動(dòng)動(dòng)支架，測(cè)距光源一定距離的無(wú)強(qiáng)I，將測(cè)到的光強(qiáng)記入表 2。圖6 開電壓、短電與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)示意圖將無(wú)強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽(yáng)能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表狀態(tài)。按圖 6A接線，按測(cè)光強(qiáng) 時(shí)的距離值（無(wú)強(qiáng)已知），記錄開電壓值于表 2中。按圖6B接線，記錄垣電值于表 2中。將單晶硅太陽(yáng)能電池?fù)Q為多晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)步驟，并記錄數(shù)據(jù)。3太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)圖7測(cè)太陽(yáng)能電瀘啊出持性按圖7接線，以電阻箱作為太陽(yáng)能電瀘負(fù)載。在一定光照強(qiáng)下(將動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一 個(gè)位置)，分別將三種太陽(yáng)能電瀘板安裝到支架上，通過改變電阻箱

10、的電阻值，記錄太陽(yáng)能電瀘的啊 由電壓v和電 I,并計(jì)算啊出功Po=VxI，填于表3中。表3 3種太陽(yáng)能電瀘啊由特性實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)I=,W/m2單晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電 I(A)輸出功Po(W)多晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電 I(A)輸出功Po(W)非晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電 I(A)輸出功Po(W)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽(yáng)能電瀘的啊出伏安特性曲線及功曲線，并與圖 2比較。找出最大功點(diǎn)、，對(duì)應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載。由(1)式計(jì)算填充因子。由(2)式計(jì)算轉(zhuǎn)換效。入射到太陽(yáng)能電瀘板上的光功Pin=IxS1，I為入射到太陽(yáng)能電瀘板表面的光強(qiáng)，S為太陽(yáng)能電瀘板面積(約為5