2023年半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)七-太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池電參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)指導(dǎo)一、試驗(yàn)?zāi)康?、了解太陽(yáng)能電池的根本構(gòu)造和工作原理；2、把握太陽(yáng)能電池根本特性參數(shù)測(cè)試原理與方法；3、通過(guò)分析太陽(yáng)能電池根本特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步生疏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方法，理解試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間不完全全都的緣由；二、試驗(yàn)原理1、光生伏特效應(yīng)pn1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種通性。當(dāng)光照耀1Sipn結(jié)太陽(yáng)能電池構(gòu)造示意圖到一塊非均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。假設(shè)構(gòu)成適當(dāng)?shù)幕芈肪蜁?huì)產(chǎn)生電流。這種電流叫做光生電流，這種內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。非均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的一個(gè)例子。N型半導(dǎo)體材料和ppn結(jié)。pn結(jié)依據(jù)制備方法、雜質(zhì)在體內(nèi)分布特征等有不同的分類。制備方法有合金法、集中法、生長(zhǎng)法、離子注入法等等。雜質(zhì)分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備方法相聯(lián)系的。不同的制備方法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。pn結(jié)構(gòu)造由pn區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成。為了維持統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，p區(qū)內(nèi)空穴向n區(qū)集中，n區(qū)內(nèi)空p區(qū)集中。這種載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原來(lái)的電中性條件被破壞，p區(qū)積存了帶有負(fù)電n區(qū)帶正電，在界面四周區(qū)域形成由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)和相應(yīng)的空間電荷區(qū)。顯10相等，p區(qū)和nqVpn結(jié)模型下，處于熱平衡的Dpn結(jié)空間電荷區(qū)沒(méi)有載流子，也沒(méi)有載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用。2pnpn結(jié)結(jié)深比較淺，入射光子會(huì)透pn結(jié)區(qū)域甚至能深入半導(dǎo)體內(nèi)部。假設(shè)如何光子能量滿足關(guān)系hE〔E為半導(dǎo)g g體材料的禁帶寬度〕，那么這些光子會(huì)被材料本征吸取，在pn結(jié)中產(chǎn)生電子孔穴對(duì)。pn區(qū)電子這樣的多數(shù)載流子的濃度影響是很小的，可以無(wú)視不計(jì)。但是對(duì)少p區(qū)電子和n電子空穴對(duì)，它們很快又會(huì)通過(guò)各種復(fù)合機(jī)制復(fù)合。在pn結(jié)中狀況有所不同，主要緣由是存在內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下p區(qū)光生少子電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，n區(qū)光生少子空pnp區(qū)，與內(nèi)建電場(chǎng)方向全都；其次，光生少子的定向運(yùn)動(dòng)與集中運(yùn)動(dòng)方向相反，減弱了集中運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，pn結(jié)勢(shì)壘高度降低，甚至?xí)耆?。宏觀的效果是在pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，也就是光生電動(dòng)勢(shì)。pnpn結(jié)勢(shì)壘高度降低甚至消逝，這個(gè)作用完全等價(jià)于在pn結(jié)兩端施加正向電壓。這種狀況下的pn結(jié)就是一個(gè)光電池。開(kāi)路下pn結(jié)兩端的電壓叫做開(kāi)路電壓V 閉路下這種pn結(jié)等價(jià)于一個(gè)電源對(duì)應(yīng)的電流I 為oc sc閉路電流。光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能電池的核心原理，它的機(jī)制就是光能轉(zhuǎn)化為電能，開(kāi)2中E為半導(dǎo)體電帶，E為半導(dǎo)體價(jià)電帶。C V2、太陽(yáng)能電池?zé)o光照狀況下的電流電壓關(guān)系－〔暗特性〕太陽(yáng)能電池是依據(jù)光生伏特效應(yīng)把太陽(yáng)能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。假設(shè)pn結(jié)。通常把無(wú)光照狀況下太陽(yáng)能電池的電流電壓特性叫做暗特性。簡(jiǎn)潔的處理方式是把無(wú)光照狀況下的太陽(yáng)能電池等價(jià)于一個(gè)抱負(fù)pn結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊方程：Is

s

eDnn p0Ln

s kT0eD pp n0為反向飽和電流。A、D、n、p和L分別為結(jié)Lp面積、集中系數(shù)、平衡電子濃度、平衡空穴濃度和集中長(zhǎng)度。依據(jù)肖克萊方程不難覺(jué)察正向、反向電壓下，暗條件太陽(yáng)能電池IV曲線不對(duì)稱，這pn結(jié)的單向?qū)ㄐ曰蛘哒f(shuō)整流特性。對(duì)于確定的太陽(yáng)能電池，其摻雜雜質(zhì)種類、摻雜計(jì)量、器件構(gòu)造都是確定的，對(duì)電流電壓特性具有影響的因素是溫度。溫度對(duì)半導(dǎo)圖3太陽(yáng)能電池等效電 體器件的影響是這類器件的通性。依據(jù)半導(dǎo)體物理原理，溫度對(duì)集中系數(shù)、集中長(zhǎng)度、載流子濃度都有影響，綜合考慮，反向飽和電流為：ED n2 3EJ e(s

n)1/2 i Nn A

2exp( g)kT0E由此可見(jiàn)隨著溫度上升，反向飽和電流隨著指數(shù)因子exp(越寬的半導(dǎo)體材料，這種變化越猛烈。

g快速增大。且?guī)秌T0半導(dǎo)體材料禁帶寬度是溫度的函數(shù)Eg

E(0TEg

(0為確定零度時(shí)候的帶隙寬度。設(shè)有E(0)eV ，V 是確定零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。由此可g g0 g0以得到含有溫度參數(shù)的正向電流電壓關(guān)系為：IAJT32exp[

V )g0 ]kT0明顯正向電流在確定外加電壓下也是隨著溫度上升而增大的。3、太陽(yáng)能電池光照狀況下的電流電壓關(guān)系〔光特性〕PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了np區(qū)的光生電Ipn結(jié)上的正向電壓VPNqVL D－qV。開(kāi)路狀況下光生電流與正向電流相等時(shí)，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢(shì)差V ，這就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓V。如圖3所示，在閉路狀況下，光照作用下會(huì)OC ocpnpn結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電源。I在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3所示，正L偏電壓產(chǎn)生正偏電流I。在反偏狀況下，pn結(jié)電流為FII I I I[exp(eV1)]L F L S kT0隨著二極管正偏，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)變?nèi)?，但是不行能變?yōu)榱慊蛘叻雌?。光電流總是反向電流，因此太?yáng)能電池的電流總是反向的。依據(jù)圖3其一是負(fù)載電阻R＝0，這種狀況下加載在負(fù)載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路狀L態(tài)，此時(shí)間電池輸出電流我們稱為短路電流或者閉路電流I。scI=I =ISC L其二是負(fù)載電阻R ，外電路處于開(kāi)路狀態(tài)。流過(guò)負(fù)載電阻電流為零，依據(jù)等L效電路圖3，光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓V 就是所謂的開(kāi)路電壓。oc明顯有4太陽(yáng)能電池最大功率I0I

eV得到開(kāi)路電路電壓V 為OC

L S kT0V kT I0 L)OC e ISVoc

和閉路電路Isc

是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。試驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)確定IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照同，閉路電路Isc正比于入射光強(qiáng)度，開(kāi)路電壓Voc隨著入射光強(qiáng)度對(duì)數(shù)式增大。從半導(dǎo)體物理根本理論不難得到這個(gè)結(jié)論。此外，從太陽(yáng)能電池的工作原理考慮，開(kāi)路電壓Vocpn結(jié)勢(shì)壘為零時(shí)的電壓pn結(jié)的勢(shì)壘高度VD，是一個(gè)與材料帶隙、摻雜水公平有關(guān)的值。實(shí)際狀況下最大開(kāi)路電壓值與材料的帶隙寬度相當(dāng)。4、太陽(yáng)能電池的效率太陽(yáng)能電池從本質(zhì)上說(shuō)一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此爭(zhēng)論太陽(yáng)能率問(wèn)題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程效率不行能是100％。就太陽(yáng)能電池而言，我們需要具有足夠高的效率太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能P 和入射光能P 的比值：m inp mppin

100%m m100%IIVin其中IV 在I－V關(guān)系中構(gòu)成一個(gè)矩形叫做最大功率矩形如圖4光特性I－V曲m m線與電流、電壓軸交點(diǎn)分別是閉路電流和開(kāi)路電壓。最大功率矩形取值點(diǎn)pm

的物理含義是太陽(yáng)能電池最大輸出功率點(diǎn)，數(shù)學(xué)上是I－V曲線上坐標(biāo)相乘的最大值點(diǎn)。閉路電IV

IVm mscoc I Vsc oc0.7～0.8之間。pn結(jié)，因而具有一個(gè)確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因此，入射到太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光只有光子能量高于禁帶寬度的局部才會(huì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)Si28因素，如大氣對(duì)太陽(yáng)光的吸取、外表保護(hù)涂層的吸取、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。綜合考慮起來(lái)，太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率大致在10％～15％之間。太陽(yáng)光是有效的。太陽(yáng)光強(qiáng)度可以提高幾百倍，閉路電流線性增大，開(kāi)路電流指數(shù)式增有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)選擇。5實(shí)測(cè)太陽(yáng)能電池暗特性曲線5給出了對(duì)某種商用太陽(yáng)能電池板室溫下〔25℃〕I－V曲線。6實(shí)測(cè)太陽(yáng)能電池光特性曲線6是對(duì)某種商用太陽(yáng)能電池板室溫下〔25℃〕、150W氙燈光源直接照耀下得到I－V曲線、功率曲線和最大功率矩形示意圖。三、試驗(yàn)設(shè)備本試驗(yàn)選用杭州大華儀器制造生產(chǎn)的DH6521A型多功能太陽(yáng)能電池綜合特性測(cè)試儀，設(shè)備構(gòu)造如圖7所示。設(shè)備包括光源與太陽(yáng)能電池、光路和溫度掌握裝置外電路三個(gè)局部。1、光源與太陽(yáng)能電池局部承受高壓氙燈光源，高壓氙燈具有與太陽(yáng)光相近的光譜分布特征。光源標(biāo)稱功率150W50mm8為氙燈電源，氙氣燈作為光源也可以用作其它試驗(yàn)的Si9所示，標(biāo)稱開(kāi)路電壓4.5V43mm×43mm。教師也可以爭(zhēng)論多晶、非晶、納米等太陽(yáng)能電池的根本特性。11氙燈2光路3凸透鏡4濾色片5溫度掌握箱7設(shè)備構(gòu)造示意圖 圖8氙燈電源面板圖 圖9 單晶硅太陽(yáng)能電池板2、光路局部本設(shè)備光路由有效通光孔徑Φ56mm于產(chǎn)生平行入射光束，光強(qiáng)度局部通過(guò)調(diào)整氙燈電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)波長(zhǎng)分別為365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的濾色片用于產(chǎn)生近似的單色光來(lái)爭(zhēng)論太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性。各局部均可以調(diào)整至試驗(yàn)所需要的最正確位置，調(diào)整凸透鏡時(shí)，須先將氙燈應(yīng)與光路局部對(duì)接，再將氙燈點(diǎn)亮，用萬(wàn)用表監(jiān)視信號(hào)輸入/輸出口〔為太陽(yáng)能電池的輸出口〕的電源輸出值，凸透鏡起始位置在靠近光源處〔入光口〕，當(dāng)凸透鏡調(diào)至某一適宜位置，其輸出電壓值為最大，此時(shí)，該位置便為最正確位置。試驗(yàn)時(shí)，便不要再去移動(dòng)凸透鏡。濾色片的位置靠近太陽(yáng)能電池處〔出光口〕。3、溫度掌握及外電路電源1011，Pt1001213。圖10 溫度掌握裝置面板示意圖 圖11 溫度掌握箱面板示意圖圖12 Pt100溫度變換器示意圖 圖13 直流電源面板示意圖溫控局部的參加主要是用來(lái)爭(zhēng)論溫度對(duì)太陽(yáng)能電池特性的影響。溫度可在室溫～80℃間選擇，加熱電流可調(diào)。0～30V用于暗特性的正偏、反偏測(cè)試。光特性測(cè)試中電流表量程2A，最小電流四、試驗(yàn)內(nèi)容與步驟連接好氙燈箱電源線〔在箱后側(cè)〕；將多功能太陽(yáng)能電池綜合特性測(cè)試儀設(shè)備〔黑色〕輸出Ⅰ與氙燈箱上的輸出Ⅰ對(duì)應(yīng)，該路為氙燈電源；輸出Ⅱ與氙燈箱上的輸出Ⅱ?qū)?yīng)，該路為風(fēng)扇電源-AC220V,并將光強(qiáng)調(diào)整擰到最大，否則難以觸發(fā)氙燈。假設(shè)風(fēng)扇不能正常工作，請(qǐng)馬上關(guān)閉電源，以免內(nèi)部因溫度過(guò)高燒壞燈泡。試驗(yàn)完畢之后，拔出輸出Ⅰ端的電源線，輸出Ⅱ保存著，讓風(fēng)扇連續(xù)工作，有利于氙燈均勻降溫。DH6521APt100(Ⅰ)輸出端〔兩芯航空座〕Pt100(Ⅰ)口〔兩芯航空座〕相對(duì)應(yīng)，后側(cè)有一根輸出線與太陽(yáng)能加熱電源連接，按住溫度掌握裝置DH6521ASET〔設(shè)定最高溫度按移位鍵再按設(shè)置鍵進(jìn)展溫度增加或者減小最小區(qū)分率為1℃，留意：加熱溫度不宜設(shè)置過(guò)高，一般不超過(guò)100℃，以免對(duì)加熱設(shè)備造成消滅性損壞。數(shù)只作為參考用。加熱時(shí)，可以增大加熱電流，以縮短加熱時(shí)所需的時(shí)間；右邊的=10mV。右邊的信號(hào)輸入/輸出口，為太陽(yáng)能電池的輸出口，在做暗特性試驗(yàn)時(shí)，直流電源信號(hào)從今信號(hào)口輸入，做光照特性時(shí)，太陽(yáng)能電池電壓信號(hào)從今信號(hào)口輸出。1、太陽(yáng)能電池暗特性測(cè)試14連接電路。留意：測(cè)試反偏電壓V下通過(guò)太陽(yáng)能電池的電流I，電壓范圍-30～0V；測(cè)試正向偏壓下通過(guò)太陽(yáng)能電池的電流I，電壓范。(通過(guò)極性切換開(kāi)關(guān)，可以得到極性相反的電壓。)匯總測(cè)試數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線。依據(jù)試驗(yàn)時(shí)間安排測(cè)量不同溫度下的特性曲線。pn結(jié)電流電壓方程對(duì)正偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展擬和?！仓粶y(cè)試一個(gè)溫度下的特性曲線即可〕測(cè)試中依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)規(guī)律適當(dāng)安排數(shù)據(jù)點(diǎn)密集程度。試驗(yàn)測(cè)試電路如圖14所示：圖14 暗特性試驗(yàn)電路圖說(shuō)明：D為太陽(yáng)能電池暗特性時(shí)的表示符號(hào)，接信號(hào)輸入、輸出口〔三芯航空座，四根線，紅色為正，黑色為負(fù)〕；R為電阻箱〔0Ω~111.111kΩ〕；E為外接直流電源〔極性可以切換〕；V、mA均為四位半數(shù)字萬(wàn)用表。2、太陽(yáng)能電池光照特性測(cè)試光照特性試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)展光路局部的高度調(diào)整：接好氙燈電源的連接線，翻開(kāi)氙燈電源，可以看到有一束光射進(jìn)箱內(nèi)，先將凸透鏡與入光口的高度保持全都，再調(diào)整濾色片的高度與出光口的高度全都；14試驗(yàn)電路圖接線，將電阻箱開(kāi)路，微調(diào)凸透鏡的前后左右位置，使其輸出數(shù)字萬(wàn)用表的電壓值顯示為最大，〔試驗(yàn)時(shí)電壓始終在變化？〕濾色片位置可以不變，即貼在出光口上。加熱局部有三個(gè)可用來(lái)調(diào)整水平的銅質(zhì)螺釘，其作用可使加熱箱能與光路箱緊貼。光照試驗(yàn)內(nèi)容〔1〕15連接電路，不加載濾色片、光強(qiáng)度最大條件下通過(guò)轉(zhuǎn)變負(fù)載電阻來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池I－V特性曲線，匯總數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線，然后依據(jù)特性曲線求解出Voc

、閉路電流Isc

1500Ω左右；〔2〕〔選做〕不加載濾色片，在兩種不同光強(qiáng)下測(cè)量I－V特性，得到不同光強(qiáng)下I－V特性曲線、開(kāi)路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)；最大功率約在2K-2.5KΩ左右；〔3〕〔選做〕最大光強(qiáng)下，加載不同濾色片，測(cè)量I－V特性，得到不同單色光照I－V特性曲線、開(kāi)路電壓、閉路電路數(shù)據(jù)；365nm70KΩ左右，405nm5KΩ左右，436nm70KΩ左右，546nm最大功率約6KΩ左右，577nm5KΩ左右；〔4〕〔選做〕不同溫度下(包括升溫順降溫試驗(yàn))的重復(fù)〔1〕得到不同溫度下I－V特性曲線、開(kāi)路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)?！?〕數(shù)據(jù)采集局部具體操作在軟件的幫助說(shuō)明文件里面。比照光強(qiáng)度、濾色片、溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的I－V特性的影響，依據(jù)I－V曲線計(jì)算出不同測(cè)量參數(shù)下的最大功率矩形的值，進(jìn)而計(jì)算出占空系數(shù)。15所示：圖15 光照特性試驗(yàn)電路圖0～99999.9Ω(ZX21-HZDH)16。圖16 電阻箱五、問(wèn)題

圖17 試驗(yàn)儀器尺寸圖1、太陽(yáng)能電池的工作原理是什么？2利？3、試驗(yàn)中太陽(yáng)能電池外表不垂直入射光束，對(duì)試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生什么影響？4、為了盡可能提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)能電池外表應(yīng)當(dāng)怎么處理為好？5、不同單色光下太陽(yáng)能電池的光照特性有什么變化？為什么？6、依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果