太陽能電池基本特性測定實驗

太陽能電池基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(dǎo)體光電二極管，當(dāng)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(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較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(diǎn).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、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)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(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)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較，成本低廉，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太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，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(jì)的熱門課題，許多發(fā)達(dá)國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進(jìn)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(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對兩種性質(zhì)進(jìn)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)康摹繜o光照時，測量太陽能電池的伏安特性曲線；有光照時，測量電池在不同負(fù)載電阻下，I對U變化關(guān)系，畫出IU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Pax及填充因子FF；測量太陽能電池的短路電流IC、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?！緦嶒瀮x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(dǎo)線若干【實驗原理】太陽光照在半導(dǎo)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，其正向偏壓"與通過的電流I的關(guān)系為-quI=IenKT—1 (1)01J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(xué)溫度。(可令p=-K-)由半導(dǎo)體理論知,二極管主要是由如圖所示的能隙為EC-Ev的半導(dǎo)體所構(gòu)成。EC為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，Ev為半導(dǎo)體價電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時，光子被半導(dǎo)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)。Q電子 導(dǎo)電帶(Ec)光子sww*；能隙?？昭?價電帶圖1光伏效應(yīng)示意圖太陽能電池的基本技術(shù)參數(shù)除短路電流%。和開路電壓U°C外，還有最大輸出功率Pax和填充因子FF。最大輸出功率Pax也就是IU的最大值。填充因子FF定義為FF=Pmax-Ju-SCOCFF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。FF值越大，說明太陽能電池對光的利用率越高。

【實驗內(nèi)容及步驟】1【實驗內(nèi)容及步驟】1.在沒有光源（全黑）的條件下，測量單晶硅太陽能電池正向偏壓時的I-U特性（直流偏壓從0-3.0V）（1）連接電路圖。圖2I—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)B4和I的值。P一nKT0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20cm（1）連接電路圖。太陽能電池板（1）連接電路圖。太陽能電池板圖3恒定光源太陽能電池特性實驗（2） 測量電池在不同負(fù)載電阻下，I對U變化關(guān)系，畫出I—U曲線圖。（3） 求短路電流IC和開路電壓UC。（4） 求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負(fù)載電阻。（5） 計算填充因子FF="IU測量太陽能電池的光電效應(yīng)與電光性質(zhì)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IC和UC的值。（1）設(shè)計測量電路圖，并連接。測量太陽能電池接受到不同光照度L時相應(yīng)的IC和U^的值。描繪IC和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求IC與光照度L之間的近似關(guān)系函數(shù)。描繪U誕和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求U”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】全暗情況下(太陽能電池板倒扣在黑橡膠桌面上)太陽能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1-U特性U(V)456789101112131415161718(mA)用坐標(biāo)紙畫出太陽能電池正向偏壓時的1-U特性曲線，并求出常數(shù)P和10的值I(mA)u(V)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(fù)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isc和開路電壓UC，計算最大輸出功率Pax和填充因子FF。連接電路如圖3，結(jié)果填入表2。

sC P= maxsC P= maxU= OCFF= R(Q)5101520253035404550U(v)I(mA)P(mW)R(Q)556065707580859095100U(v)I(mA)P(mW)畫出R-P曲線圖，求出Pmax和對應(yīng)的太陽能電池r.P(mW)

測量多晶硅太陽能電池板IC和U^與光照度L的關(guān)系。表3太陽能電池板的IC和U萱與光照度L的關(guān)系L/(lux)(照度計緊貼投影儀玻璃面)h(lux)05101520253035(lux)IC(mA)Uoc(V)畫出L-Isc曲線圖及L-Uoc曲線圖.把多晶硅太陽能電池板換成單晶硅太陽能電池板，重復(fù)3。【實驗報告要求】寫明本實驗的目的、意義。闡明本實驗的基本原理。記下實驗所用儀器和裝置。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。對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、研究和討論。本實驗的總結(jié)、收獲、體會，也可提出自己新的設(shè)想。對教學(xué)工作的意見和建議?！咀⒁馐马棥窟B接電路時，保持太陽能電池?zé)o光照條件。連接電路時，保持電源開關(guān)斷開。打開白幟燈光源時間盡量要短，注意隨時關(guān)掉?！舅伎碱}】太陽能電池是由什么材料做成的？它的工作原