大學物理實驗-拓展提高篇 課件 實驗3.9-太陽能電池特性實驗

1光陽能電池特性實驗大學物理實驗——拓展提高篇物理實驗教學中心2光陽能電池特性實驗第一節(jié)實驗原理大學物理實驗——拓展提高篇物理實驗教學中心太陽能電池特性實驗—實驗背景1、化石能源3太陽能電池特性實驗—實驗背景1、化石能源4石油開采煤炭開采天然氣開采能源危機5太陽能電池特性實驗—實驗背景2、環(huán)境污染冰川融化煤炭燃燒汽油燃燒石油泄漏6太陽能電池特性實驗—實驗背景3、可再生能源水能風能生物質能太陽能7世界主要經濟體能源消費結構1978-2020年我國能源消費結構變化太陽能電池特性實驗—實驗背景能源結構81958年3月17日第一個使用太陽能電池轉換效率9%路燈熱水器生產生活用電人造衛(wèi)星電池“柚子衛(wèi)星”太陽能電池特性實驗—實驗背景4、太陽能發(fā)電：94、太陽能發(fā)電：光-熱-電:效率低，成本高光-電：光伏效應——太陽能電池硅太陽能電池

發(fā)展最成熟，應用占主導地位。太陽能電池特性實驗—實驗背景10石英砂精煉太陽能電池特性實驗—實驗背景晶硅生產流程單晶硅：硅的單晶體，基本完整的點陣結構的晶體，用高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成。多晶硅：硅原子以金剛石晶格形式排列成多個晶核。晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，晶粒結合并結晶成多晶硅。單晶體多晶體11硅太陽能電池轉換效率技術特點性能特點發(fā)展方向單晶硅24.7%(實驗室)15%(規(guī)模生產)原料消耗大，技術成熟，工藝復雜，成本高轉換效率高，壽命長低成本多晶硅18%(實驗室)10%(規(guī)模生產)原料消耗少，成本較低轉換效率較高大面積，薄襯底非晶硅薄膜9%~13%工藝簡單，原料充足，便于大規(guī)模生產，成本低重量輕，品種多，用途廣，轉換效率低穩(wěn)定性，轉換效率本實驗研究單晶硅，多晶硅和非晶硅太陽能電池的特性。硅太陽能電池太陽能電池特性實驗—實驗背景太陽能電池特性實驗—實驗任務、實驗目的、訓練點了解能源現狀和可再生能源。學習并掌握太陽能電池的原理和應用特點。了解太陽能電池特性實驗儀的基本使用方法，并會用該裝置測定太陽能電池特性。2.實驗目的3.實驗訓練點太陽能電池特性實驗儀的正確使用。用作圖法正確處理數據。1.實驗任務12測量三種硅太陽能電池的暗伏安特性，開路電壓、短路電流和光強之間的關系，以及輸出特性。太陽能電池特性實驗—實驗原理1、硅太陽能電池工作原理

P+

N--------++++++PN結空間電荷區(qū)(擴散)內電場(漂移)

濃度差

多子的擴散運動

形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

半導體P-N結示意圖多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。1314太陽能電池特性實驗—實驗原理+電子空穴+吸收光子價帶導帶Eg光吸收光伏效應示意圖1、硅太陽能電池工作原理152、性能參數(1)開路電壓open-circuitvoltage(UOC)：太陽能電池處于開路狀態(tài)時兩端電壓，即負載斷開時測得的最大電壓。(2)短路電流short-circuitcurrent(ISC)：太陽能電池處于短路狀態(tài)時流過的電流，即負載電阻為零時測得的最大電流。太陽能電池特性實驗—實驗原理16(3)輸出功率：太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。UOCU太陽能電池特性實驗—實驗原理17(4)填充因子FillFactor(F.F)，是太陽能電池性能優(yōu)劣的重要參數，其值越大，電池的光電轉換效率越高。(1)一般的硅光電池F.F值在0.75~0.80之間。太陽能電池特性實驗—實驗原理輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax

。18(5)能量轉換效率PowerConversionEfficiency(ηs(%))：太陽能電池的最大輸出功率和入射光的功率之比。其中Il為光強，Sl為面積S1=50mm×50mm(2)太陽能電池特性實驗—實驗原理19太陽能電池特性實驗第二節(jié)實驗儀器大學物理實驗——拓展提高篇物理實驗教學中心太陽能電池特性實驗—實驗儀器主要實驗儀器、器件：太陽能電池特性實驗儀光探頭、太陽能電池板碘鎢燈光源、遮光罩可變負載（電阻箱）導軌、滑動支架、導線20太陽能電池特性實驗—實驗儀器1、太陽能電池特性實驗儀213.電流表：測量輸入“電流輸入”接口的電流。1.電壓源輸出：為太陽能電池提供電壓。2.電壓/光強表：測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強輸入”接口的光強探頭測量到的光強數值。太陽能電池特性實驗—實驗儀器2、光探頭、太陽能電池板22光探頭單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池太陽能電池特性實驗—實驗儀器3、碘鎢燈光源、遮光罩23儀器使用注意事項1.預熱光源時，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實驗誤差。2.光源工作及關閉后的約一小時內，燈罩表面溫度很高，不要觸摸。碘鎢燈光源遮光罩太陽能電池特性實驗—實驗儀器4、可變負載24電阻箱可變負載可變負載太陽能電池特性實驗—實驗儀器5、導軌、滑動支架、導線25導軌、滑動支架導線26太陽能電池特性實驗第三節(jié)實驗內容大學物理實驗——拓展提高篇物理實驗教學中心太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord1儀器檢查、記錄儀器不正常時調整觀察各儀器器件，狀態(tài)是否正常記錄儀器器件名稱，主要儀器的型號和主要參數。實驗時的環(huán)境參數2728太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太陽能電池的暗伏安特性測量(1)合理布局各儀器器件，采用回路接線法按照電路圖連線。硅太陽能電池：接入“電壓源輸出”接口(2)初態(tài)設置，定性觀察?？勺冐撦d：50Ω，串聯(1)觀察硅太陽能電池特性實驗儀上的電壓表和電流表顯示是否正常(1)如有故障，分析解決并記錄。VA太陽能電池可調電壓源+_50?29太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太陽能電池的暗伏安特性測量(3)硅太陽能電池遮光，電壓源從0V逐漸增大，每間隔0.3V測量電流。(4)“電壓源輸出”接口兩根連線互換，從0V開始逐漸增大反向電壓，每間隔1.0V測量電流。(5)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實驗內容(表1)。(2)測量值(2)記錄電流值。電壓U(V)電流I(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-7.0-6.0...-1.000.3...3.9表1三種硅太陽能電池的暗伏安特性測量30太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強關系測量(1)打開光源開關，預熱5分鐘。(2)合理布局各儀器器件，將光強探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接“光強輸入”接口。測試儀設置為“光強測量”。(3)打開遮光罩，由近及遠移動滑動支架，測量距光源一定距離的光強Il。(1)觀察太陽能電池特性實驗儀上的光強表顯示是否正常(2)測量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄光強值距離(cm)1520253035404550光強Il(W/m2)表2三種硅太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關系31太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強關系測量(3)將光強探頭換成硅太陽能電池，測試儀設置為“電壓表”狀態(tài)。按圖A接線，按測量光強時的距離值（光強已知），測量開路電壓值。按圖B接線，測量短路電流值。(2)測量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄電壓值和電流值V太陽能電池光圖A測量開路電壓A太陽能電池光圖B測量短路電流32太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強關系測量(4)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實驗內容(表2)。(2)測量值(2)記錄電壓值和電流值距離(cm)1520...50光強Il(W/m2)單晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)多晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)非晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)表2三種硅太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關系33太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太陽能電池輸出特性實驗(1)合理布局各儀器器件，按圖接線，可變負載作為太陽能電池負載。(2)一定光照強度下(將滑動支架固定在導軌上某一位置(30cm)，從表2中查出對應的光強)，改變可變負載的電阻值，測量硅太陽能電池的輸出電壓U和電流I，并計算輸出功率Po=

U·I。(1)觀察太陽能電池特性實驗儀上的電壓表和電流表顯示是否正常(2)測量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄電壓值和電流值可變負載V太陽能電池光A34太陽能電池特性實驗—實驗內容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太陽能電池輸出特性實驗(3)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實驗內容(表3)。(2)測量值(2)記錄電壓值和電流值單晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)表3.9.3三種硅太陽能電池輸出特性實驗(30cm)35數據處理要求太陽能電池特性實驗—數據處理1.內容要求(1)三組曲線：

①三種硅太陽能電池的暗伏安特性曲線(圖1)

②三種硅太陽能電池開路電壓和短路電流隨光強變化曲線(圖2)

③三種硅太陽能電池輸出伏安特性曲線及功率曲線(圖3)(2)比較圖3與圖2，找到最大功率點，該點對應的電阻值即為最佳匹配負載。(3)根據式(1)和式(2)分別計算填充因子和轉換效率。2.作圖要求

①作圖可以手工在坐標紙上作圖，也可以使用計算機軟件作圖。②作圖必須按照作圖要求，要素齊備，圖線符號和標注規(guī)范。太陽能電池特性實驗—思考題思考提高(可在實驗報告或數據報告選作)1.硅太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同？2.如何求得太陽能電池的最大輸出功率？最大輸出功率與它的最佳匹配電阻有什么關系？3.太陽能電池的光照特性（開路電壓和短路電流）與太陽能電池的入射光強符合什么函數關系？36太陽能電池特性實驗部分圖片來源于網絡37//goomai/69818.html/doc/1270977-1344044.html/doc/7248095-7477326.html/doc/5797380-6010175.html/zhishiku/2021/0721/21344.html/learn/CSLG-1001753006?tid=1468720572#/learn/content?type=detail&id=1251218877&cid=1280145914/s?id=1