研究性報(bào)告-太陽(yáng)能電池的應(yīng)用及發(fā)展前景分析

1、 PAGE 在此處鍵入基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告太陽(yáng)能電池原理及應(yīng)用前景分析第一作者：李潛彤 12071046第二作者：劉夢(mèng)洋 12071053第三作者：毛遠(yuǎn)峰 12071038第四作者：趙成 12071037 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388304418 摘要 PAGEREF _Toc388304418 h 4 HYPERLINK l _Toc388304419 一實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc388304419 h 5 HYPERLINK l _Toc388304420 二實(shí)驗(yàn)儀器 PAGEREF _Toc388304420

2、 h 6 HYPERLINK l _Toc388304421 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc388304421 h 9 HYPERLINK l _Toc388304422 （一）太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量 PAGEREF _Toc388304422 h 9 HYPERLINK l _Toc388304423 1硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量 PAGEREF _Toc388304423 h 9 HYPERLINK l _Toc388304424 2開(kāi)路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量 PAGEREF _Toc388304424 h 11 HYPERLINK l _Toc388304425

3、3太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc388304425 h 13 HYPERLINK l _Toc388304426 （二）太陽(yáng)能電池應(yīng)用系統(tǒng)系列實(shí)驗(yàn)I PAGEREF _Toc388304426 h 15 HYPERLINK l _Toc388304427 1、失配及遮擋對(duì)太陽(yáng)能電池輸出的影響實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc388304427 h 15 HYPERLINK l _Toc388304428 2、太陽(yáng)能電池對(duì)儲(chǔ)能裝置兩種方式充電實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc388304428 h 16 HYPERLINK l _Toc388304429 四太陽(yáng)能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前

4、景 PAGEREF _Toc388304429 h 18 HYPERLINK l _Toc388304430 五討論 PAGEREF _Toc388304430 h 18摘要：在現(xiàn)今能源短缺的時(shí)代，人類(lèi)推廣使用太陽(yáng)輻射能是今后的必然趨勢(shì)。太陽(yáng)的光輻射可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為最理想的能源。故筆者認(rèn)為，研究太陽(yáng)能電池發(fā)電原理,了解太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展歷程和前景對(duì)今后可再生能源的學(xué)習(xí)是很有意義的。本文提出了太陽(yáng)能電池發(fā)電原理及探究其特性的測(cè)量、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，最后介紹太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量，太陽(yáng)能電

5、池產(chǎn)業(yè)一實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 HYPERLINK /view/70124.htm p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié) HYPERLINK /view/63151.htm 電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就形成 HYPERLINK /view/10897.htm 電流。這就是 HYPERLINK /view/14336.htm 光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。在一定的光照條件下，改變太陽(yáng)能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流。負(fù)載斷開(kāi)時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱為開(kāi)路電壓

6、。太陽(yáng)能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。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)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0.750.8之間。轉(zhuǎn)換效率s定義為： （2）Pin為入射到太陽(yáng)能電池表面的光功率。 太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 光熱電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng) HYPERLINK /view/2121

7、.htm 輻射產(chǎn)生的 HYPERLINK /view/148748.htm 熱能發(fā)電，一般是由 HYPERLINK /view/381741.htm 太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng) HYPERLINK /view/33757.htm 汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過(guò)程是光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程是熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程，與普通的 HYPERLINK /view/57396.htm 火力發(fā)電一樣。太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴510倍。一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資2025億美元， 平均1kW的投資為20002500美元。太陽(yáng)能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料

8、的光電性質(zhì)制成的。黑體(如太陽(yáng))輻射出不同波長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)于不同頻率)的電磁波。當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上，光子與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。射線的波長(zhǎng)越短，頻率越高，所具有的能量就越高.太陽(yáng)電池發(fā)電是一種可再生的 HYPERLINK /view/13704.htm 環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生 HYPERLINK /view/17816.htm 二氧化碳等 HYPERLINK /view/3185.htm 溫室氣體，不會(huì)對(duì) HYPERLINK /view/13655.htm 環(huán)境造成 HYPERLINK /view/469.htm 污染。按照制作材料分為 HYPERLINK

9、/view/4748.htm 硅基半導(dǎo)體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機(jī)材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無(wú)定形硅薄膜電池等。二實(shí)驗(yàn)儀器太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，電源面板如圖8所示。 圖7 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)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、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)的直流電壓。為太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓/光強(qiáng)表：通過(guò)“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸

10、入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(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(guò)“電壓量程”或“光強(qiáng)量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測(cè)量并顯示0200mA的電流，通過(guò)“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。太陽(yáng)能電池應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，由太陽(yáng)能電池組件，實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀3部分組成。各部件的基本參數(shù)如下：太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)能電池，標(biāo)稱電壓12V，標(biāo)稱功率2W光源 100W碘鎢燈，為保證太陽(yáng)能電池不因過(guò)熱損壞，使用時(shí)調(diào)節(jié)至離太陽(yáng)能電池最遠(yuǎn)負(fù)載組件 01K，2W直流風(fēng)扇 12V，1WLED燈 直流15V，0.4WDC-DC 升降壓DC-DC，輸入535V，輸

11、出1.517V，1A超級(jí)電容 2.3F，11V蓄電池 12V，1.3AH（安時(shí)）逆變器 DC12VAC220V，75W交流負(fù)載 節(jié)能燈，5W 圖8 太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀圖9 太陽(yáng)能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理（一）太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)量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)能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求分別測(cè)試并畫(huà)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)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池。測(cè)試原理圖如圖10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

12、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。 圖10 伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。然后再次將電壓輸入調(diào)到0V，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)。以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。正向反向電壓/V電流/mA電壓/V電流/mA 單晶硅多晶硅非晶硅單晶硅多晶硅非晶硅000000000.30.0050.0050.250-1-0.015-0.015-0.9020.60.0190.0150.520-2-0.030-0.030-

13、2.00.90.0480.0390.804-3-0.047-0.047-100.1001.116-4-0.067-0.067-300.2481.462-5-0.088-0.091-280.6321.929-6-0.114-0.123-501.7552.8002.44.0006.3004.1002.715.6031.006.1002開(kāi)路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開(kāi)遮光罩。將光強(qiáng)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)（從10cm到50cm）移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離（每隔5cm）的

14、光強(qiáng)I。將光強(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11A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知），記錄開(kāi)路電壓值。按圖11B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽(yáng)能電池更換為多晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)上述測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽(yáng)能電池更換為非晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)上述測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。 畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線；畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。距離/cm光強(qiáng)單晶硅多晶硅非晶硅U/VI/mAU/VI/mAU/VI/mA1015202.96104.52.77132.02.8424.4157382.8852.02.6360.6

15、2.5210.9204022.7929.42.53252522.7222.52.4621.81.883.8301722.6716.72.415.01.662.635127.12.6212.52.3511.11.462.04098.62.579.82.318.61.261.54578.72.537.92.286.91.081.25064.12.40.931.03太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 按圖12接線，以電阻箱作為太陽(yáng)能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置），分別將三種太陽(yáng)能電池板安裝到支架上，通過(guò)改變電阻箱的電阻值，記錄太陽(yáng)能電池的輸出電壓V（按照每隔0.2V的間隔）和電流

16、I。單晶U/V0.0150.3010.6120.9031.2081.5001.8082.582.61I/mA26.026.026.026.026.026.025.824.522.5多晶U/V0.0160.2860.6100.9081.2301.5151.792.132.332.442.502.51I/mA26.926.926.926.926.926.925.423.50.3非晶U/V00.020.520.861.121.371.691.932.00I/mA2.00.80.4單晶硅最大功率多晶硅最大功率非晶硅最大功率填充因子計(jì)算：?jiǎn)尉Ч?多晶硅 非晶硅轉(zhuǎn)換效率： 單晶硅 多晶硅 非晶硅（二）太陽(yáng)

17、能電池應(yīng)用系統(tǒng)系列實(shí)驗(yàn) = 1 * ROMAN I1、失配及遮擋對(duì)太陽(yáng)能電池輸出的影響實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能電池在串、并聯(lián)使用時(shí)，由于每片電池電性能不一致，使得串、并聯(lián)后的輸出總功率小于各個(gè)單體電池輸出功率之和，稱為太陽(yáng)能電池的失配。太陽(yáng)能電池由于云層，建筑物的陰影或電池表面的灰塵遮擋，使部分電池接收的輻照度小于其它部分，這部分電池輸出會(huì)小于其它部分，也會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生類(lèi)似失配的影響。太陽(yáng)能電池并聯(lián)連接時(shí)，總輸出電流為各并聯(lián)電池支路電流之和。在有失配或遮擋時(shí)，只要最差支路的開(kāi)路電壓高于組件的工作電壓，則輸出電流仍為各支路電流之和。若有某支路的開(kāi)路電壓低于組件的工作電壓，則該支路將作為負(fù)載而消耗能量。由太陽(yáng)能電

18、池的伏安特性可知，太陽(yáng)能電池在正常的工作范圍內(nèi)，電流變化很小，接近短路電流，電池的最大輸出功率與短路電流成正比。表1 遮擋對(duì)太陽(yáng)能電池輸出的影響遮擋條件無(wú)縱向橫向遮擋面積/10%20%50%25%50%75%短路電流62.558.441.80.9793.20.9430.360由所測(cè)數(shù)據(jù)可知遮擋對(duì)太陽(yáng)能電池輸出影響極大，切縱向遮擋比橫向遮擋影響更深。2、太陽(yáng)能電池對(duì)儲(chǔ)能裝置兩種方式充電實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)比太陽(yáng)能電池直接對(duì)超級(jí)電容充電和在太陽(yáng)能電池后加DC-DC再對(duì)超級(jí)電容充電。說(shuō)明不同充電方式下充電特性的不同及充電方式對(duì)超級(jí)電容充電效率的影響。本實(shí)驗(yàn)所用DC-DC采用輸入反饋控制，在工作過(guò)程中保持輸入

19、端電壓基本穩(wěn)定。若太陽(yáng)能電池光照條件不變，并調(diào)節(jié)DC-DC使輸入電壓等于太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓，即可實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能電池的最大功率輸出下的恒功率充電。理論上，采用最大功率輸出下的恒功率充電，太陽(yáng)能電池一直保持最大輸出，充電效率應(yīng)該最高。在目前系統(tǒng)中，由于太陽(yáng)能電池輸出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使兩種方式充電效率（以從同一低電壓充至額定電壓所需時(shí)間衡量）差別不大，但從測(cè)量結(jié)果可以看出充電特性的不同。按圖15a，將負(fù)載組件接入超級(jí)電容放電，控制放電電流小于150mA，使電容電壓放至低于1V。按圖15b接線，做太陽(yáng)能電池直接對(duì)超級(jí)電容充電實(shí)驗(yàn)，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充

20、電電流I值，充電至11伏時(shí)停止充電。將超級(jí)電容再次放電后，按圖15c接線，先將電壓表接至太陽(yáng)能電池端，調(diào)節(jié)DC-DC使太陽(yáng)能電池輸出電壓為最大功率電壓。然后將電壓表移至超級(jí)電容端（此時(shí)不再調(diào)節(jié)DC-DC旋鈕），做加DC-DC后對(duì)超級(jí)電容充電實(shí)驗(yàn)，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充電電流I值，充電至11伏時(shí)停止充電。 加DC-DCt/s0306090120150180210240I/mA50.550.851.051.151.051.050.950.950.9U/V1.092.042.853.664.405.125.826.487.09t/s270300330360390420450I/mA50.5

21、50.149.045.6U/V7.738.358.919.5010.0310.5911.0不加DC-DCt/s0306090120150180210240I/mA11294.378.664.957.051.047.644.441.4U/V1.012.293.634.525.245.896.456.957.41t/s270300330360390420450480510I/mA39.537.435.734.332.832.0U/V7.868.278.669.059.409.7610.1010.4110.71t/s540I/mA28.6U/V11.0四太陽(yáng)能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景查閱資料可知現(xiàn)如

22、今可以大批量生產(chǎn)的主要有以下幾種太陽(yáng)能電池材料：第一便是實(shí)驗(yàn)中所用到的非晶硅材料，目前非晶硅電池存在的主要問(wèn)題是光轉(zhuǎn)換效率低，國(guó)際先進(jìn)水平只有10%左右，而且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰退的現(xiàn)象，所以尚未大量用于作為大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)方面，估計(jì)效率衰退問(wèn)題克服后，非晶硅太陽(yáng)能電池將促進(jìn)太陽(yáng)能利用的大發(fā)展。第二便是多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池如硫化鎘、碲化鎘電池等，上述電池中盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是因?yàn)殒k有劇毒，容易產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題，因此并不是制造太陽(yáng)能電池的理想材料。而有機(jī)物太陽(yáng)能電池制備工藝簡(jiǎn)單，具有制造面積大、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)易、柔性等優(yōu)點(diǎn)，可以制備在卷曲折疊的襯底上形成柔性的太陽(yáng)能電池，目前有機(jī)太陽(yáng)能電池在特定條件