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太阳能电池特性研究实验讲义
杨能勋 

太阳能电池基本特性的研究

太阳能电池又称光生伏特电池,简称光电池.它是一种将太阳或其他光源的光能直接转换成电能的器件.它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流.在物理学上称为太阳能光伏Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏.太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置.以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段.太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,具有重量轻、使用安全等特点.发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染.在目前世界性能源短缺和环境保护形势日益严峻的情况下,人们对太阳能电池寄予厚望.太阳能电池很可能成为未来电力的重要来源.同时,太阳能电池在现代检测和控制技术中也有十分重要的地位,在卫星和宇宙飞船上都用太阳能电池作为电源.

在中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助.20093月,财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴.

本实验对太阳能电池的基本特性做初步研究.

一.实验目的

1.了解太阳能电池的基本结构及基本原理.

2.研究太阳能电池的基本特性;太阳能电池的开路电压和短路电流以及它们与入射光强度的关系;太阳能电池的输出伏安特性等.

二.实验仪器

YJ-TYN-1太阳能电池基本特性测量仪、光源、负载电阻箱.

1.实验装置

实验装置由光源和太阳能电池两部分组成, 如图1所示.

1  太阳能电池实验仪器

三.实验原理

1.太阳能电池的基本结构.

太阳能电池用半导体材料制成,多为面结合PN结型,靠PN结的光生伏特效应产生电动势.常见的有太阳能电池和硒光电池.

在纯度很高、厚度很薄(0.4mm)的N型半导体材料薄片的表面,采用高温扩散法把硼扩散到硅片表面极薄一层内形成P层,位于较深处的N层保持不变,在硼所扩散到的最深处形成PN结.从P层和N层分别引出正电极和负电极,上表面涂有一层防反射膜,其形状有圆形、方形、长方形,也有半圆形.

太阳能电池的基本结构如图2所示.

2  太阳能电池的结构图

2.太阳能电池的基本原理

当两种不同类型的半导体结合形成PN结时.由于分界层(PN结)两边存在着载流子浓度的突变,必将导致电子从N区向P区和空穴从P区向N区扩散运动,扩散结果将在PN结附近产生空间电荷聚集区,从而形成一个由N区指向P区的内电场(如图3所示).当有光照射到PN结上时,具有一定能量的光子,会激发出电子-空穴对.这样,在内部电场的作用下,电子被拉向N区,而空穴被拉向P区.结果在P区空穴数目增加而带正电,在N区电子数目增加而带负电,在PN结两端产生了光生电动势,这就是太阳能电池的电动势.若太阳能电池接有负载,电路中就有电流产生.这就是太阳能电池的基本原理(如图4所示).

3  半导体与PN

4  太阳能电池工作原理

单体太阳能电池在阳光照射下,其电动势为0.5-0.6V,最佳负荷状态工作电压为0.4-0.5V,根据需要可将多个太阳能电池串并联使用.

3.太阳能电池的光电转换效率

太阳能电池在实现光电转换时,并非所有照射在电池表面的光能全部被转换为电能.例如,在太阳照射下,太阳能电池转换效率最高,但目前也仅达22%左右.其原因有多种,如:反射损失;波长过长的光(光子能量小)不能激发电子空穴对,波长过短的光固然能激发电子-空穴对,但能量再大,一个光子也只能激发一个电子-空穴对;在离PN较远处被激发的电子-空穴对会自行重新复合,对电动势无贡献;内部和表面存在晶格缺陷会使电子-空穴对重新复合;光电流通过PN结时会有漏电等.

4.太阳能电池的基本特性

(1) 太阳能电池的开路电压与入射光强度的关系

太阳能电池的开路电压是太阳能电池在外电路断开时两端的电压,用U表示,亦即太阳能电池的电动势.在无光照射时,开路电压为零.

太阳能电池的开路电压不仅与太阳能电池材料有关,而且与入射光强度有关.在相同的光强照射下,不同材料制做的太阳能电池的开路电压不同.理论上,开路电压的最大值等于材料禁带宽度的1/2.例如,禁带宽度为1.1eV的硅做太阳能电池,开路电压为0.5-0.6V.对于给定的太阳能电池,其开路电压随入射光强度变化而变化.其规律是:太阳能电池开路电压与入射光强度的对数成正比,即开路电压随入射光强度增大而增大,但入射光强度越大,开路电压增大得越缓慢.

(2) 太阳能电池的短路电流与入射光强度的关系

太阳能电池的短路电流就是它无负载时回路中电流,用ISC表示.对给定的太阳能电池,其短路电流与入射光强度成正比.对此,我们是容易理解的,因为入射光强度越大,光子越多,从而由光子激发的电子-空穴对越多,短路电流也就越大.

(3) 在一定入射光强度下太阳能电池的输出特性

当太阳能电池两端连接负载而使电路闭合时,如果入射光强度一定,则电路中的电流I和路端电压U均随负载电阻的改变而改变,同时,太阳能电池的内阻也随之变化.太阳能电池的输出伏安特性曲线如图5所示.

5 太阳能电池的输出特性曲线

5中,当U=0时,ISC为短路时的电流,即在该入射光强度下的太阳能电池的短路电流ISC.当I=0U为开路时的路端电压,即太阳能电池在该入射光强度下的开路电压,曲线上任一点对对应的IU的乘积(在图中则是一个矩形的面积),就是太阳能电池在相应负载电阻时的输出功率P.曲线上有一点m,其对应ImpUmp的乘积(即图中画斜线的矩形面积)最大.可见,太阳能电池仅在其负载电阻值为UmpImp值时,才有最大输出功率.这个负载电阻称为最佳负载电阻,用Rmp表示.因此,我们通过研究太阳能电池在一定入射光强度下的输出特性,可以找出它在该入射光强度下的最佳负载电阻.它在该负载电阻时工作状态为最佳状态,它的输出功率最大.

4)太阳能电池在一定入射光强度下的曲线因子(或填充因子)F·F曲线因子定义式为

F·F=UmpImp/UISC

我们知道,在一定入射光强度下,太阳能电池的开路电压U∞­和短路电流ISC是一定的.而UmpImp分别为太阳能电池在该入射光强度下输出功率最大时的电压和电流.可见,曲线因子的物理意义是表示太阳能电池在该入射光强度下的最大输出效率.

从太阳能电池的输出伏安特性曲线来看,曲线因子F·F的大小等于斜线矩形的面积(与m点对应)与矩形ISC U的面积(与M点对应)之比.如果输出伏安特性曲线越接近矩形,则mM就越接近重合,曲线因子F·F就越接近1,太阳能电池的最大输出效率就越大.

四.实验内容与步骤

1太阳能电池基本常数的测定

6  太阳能电池测量线路图

(1) 测定在一定入射光强度下太阳能电池的开路电压U和短路电流ISC

a.按图6连接线路,调节光源与太阳能电池处于适当位置不变.

b.测出太阳能电池的开路电压U  (电流表支路断开)

c.测出太阳能电池的短路电流ISC (电流表直接与太阳能电池连接)

(2) 测定太阳能电池的开路电压和短路电流与入射光强度的关系.

a.光源与太阳能电池正对时,测出开路电压U∞1和短路电流ISC1

b.转动太阳能电池一定角度(如15o)测出U∞2ISC2

c.转动太阳能电池角度为30o45o60o75o90o时,测出不同位置下的UISC

d自拟数据表格,并用坐标纸画出ISC— θU—θ曲线.

2在一定入射光强度下,研究太阳能电池的输出特性.

保持光源和太阳能电池处于适当的位置不变,即保持入射光强度不变.

(1) 测量开路电压U和短路电流ISC

(2) 分别测出不同负载电阻下的电流I和电压U

(3) 根据UISC及一系列相应的RUI值.填入自拟表格中.

(4) 计算在该入射光强度下,与各个R相对应的输出功率P=IU,求出最大输出功率P max,以及相应的太阳能电池的最佳负载电阻RmpUmpImp值.

(5) P—R及输出伏安特性I—U曲线.

(6) 计算曲线因子F·F=UmpImp/(UISC)

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