補充試驗一4太陽電池伏一安特性的測量

1、寧夏大學物理電氣信息學院精品課程電磁學補充實驗一 4 太陽電池伏一安特性的測量太陽電池（Solar Cells），也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽電池組件，再按需要將一塊以上的組件組合成一定功率的太陽電池方陣，經(jīng)與儲能裝置、測量控制裝置及直流交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽電池發(fā)電系統(tǒng)，也稱為之光伏發(fā)電系統(tǒng)。它具有不消耗常規(guī)能源、無轉(zhuǎn)動部件、壽命長、維護簡單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪音、無污染等優(yōu)點。世界上第一塊實用型半導體太陽電池是美國貝爾實驗室于1954年研制的。經(jīng)過人們40多年的努力，太陽電池的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化己取得巨大進步。目前，太

2、陽電池已成為空問衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領域（通信設備、氣象臺站、航標燈等）的重要電源。隨著太陽電池制造成本的不斷降低，太陽能光伏發(fā)電將逐步地部分替代常規(guī)發(fā)電。近年來，在美國和日本等發(fā)達國家，太陽能光伏發(fā)電已進入城市電網(wǎng)。從地球上化石燃料資源的漸趨耗竭和大量使用化石燃料必將使人類生態(tài)環(huán)境污染日趨嚴重的戰(zhàn)略觀點出發(fā)，世界各國特別是發(fā)達國家對于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)十分重視，將其擺在可再生能源開發(fā)利用的首位。因此，太陽能光伏發(fā)電有望成為21世紀的重要新能源。有專家預言，在21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將占世界總發(fā)電量的15%20%，成為人類的基礎能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有一定的地

3、位。【實驗目的】1 了解太陽電池的工作原理及其應用；2 測量太陽電池的伏一安特性曲線?！緦嶒炘怼?. 太陽電池的結(jié)構(gòu)以晶體硅太陽電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 I所示。晶體硅太陽電池以硅半導體材料制成大面積pn結(jié)進行工作。一般采用 n+/p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，如在約 1cmX 10 cm面積的P型硅片（厚度約5009m）上用 擴散法制作出一層很?。ê穸?.3m）的經(jīng)過重參n雜的n型層。然后在n型層上面制作 D金屬柵太陽光線，作為正面接觸電極。在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極。這樣就形成了晶體硅太陽太陽光圖1晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖電池。為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反

4、射膜。2. 光伏效應當光照射在距太陽電池表面很近的pn結(jié)時，只要入射光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度&則在P區(qū)、n區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會產(chǎn)生電子一空穴對。那些在結(jié)附近n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴散。只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴散長度，總有一定幾率擴散到結(jié)界面處。 在P區(qū)與n區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負電荷間形 成一電場，電場方向由 n區(qū)指向P區(qū)，這個電場稱為內(nèi)建電場。這些擴散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場的作用下被拉向P區(qū)。同樣，如果在結(jié)附近P區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速被拉

5、向n區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子一空穴對在內(nèi)建電場的作用下分別移向n區(qū)和P區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢。 這一現(xiàn)象稱為光伏效應（Photovoltaic Efiect，縮寫為 PV）。3. 太陽電池的表征參數(shù)太陽電池的工作原理是基于光伏效應。當光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由n區(qū)到P區(qū)的光生電流0。同時，由于 pn結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流 b，此電流方向從 P區(qū)到1"1區(qū)，與光生 電流相反。因此，實際獲得的電流，為=1 ph= 1 ph _ 1 o expph DphqV

6、Dn kbT7式中Vd為結(jié)電壓，I。為二極管的反向飽和電流，I ph為與入射光的強度成正比的光生電流，其比例系 數(shù)是由太陽電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的。n稱為理想系數(shù)（n值），是表示pn結(jié)特性的參數(shù)，通常在1-2之間。q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為溫度。如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs , Vd即為太陽電池的端電壓以則 式可寫為-I ph 10 expqV kpT 3當太陽電池的輸出端短路時，V=0（Vd 0），由式可得到短路電流SC = 1 ph (3)即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強度成正比。當太陽電池的輸出端開路時，1=0，由 和 式可得到開路電壓Voc2所示。負載R

7、可以從零到無窮大。當太陽電池接上負載 R時，所得的負載伏一安特性曲線如圖當負載Pm使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應的最大功率Pm為Pm = I mVm式中I m和Vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓。將Voc與I SC的成積與最大功率 Pm之比定義為填充因子FF，則PmVm 1 mFFVocI SC VocIFF為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高。FF取決于入射光強、 材料的禁帶寬度、 理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。太陽電池的轉(zhuǎn)換效率 77定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能Pn之比，即唱100%圖2太陽電池的伏一安特性曲線太陽電池可用pn結(jié)二極管D、恒

8、流源 打山、太陽電池的電極等引起的串聯(lián)電阻R。和相當于pn結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻 Rsh組成的電路來表示，如圖3所示，該電路為太陽電池的等效電路。由等效電 路圖可以得出太陽電池兩端的電流和電壓的關系為,I, q(V+Rsl V + RsI = I ph I o |exp>(8)n kB_Rsh為了使太陽電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電阻【實驗儀器】1. 太陽能光伏組件，功率為 5瓦。2. 輻射光源，300瓦鹵鎢燈。3. 數(shù)字萬用表，2個。4. 接線板，負載電阻。R【實驗內(nèi)容】S1CZTDJ LI ph o 如 0圖3太陽電池的等效電路1 將太陽能光伏組件，數(shù)字萬用表，負

9、載電阻通過接線板連接成回路，改變負載電阻R,測量流經(jīng)負載的電流I負載上的電壓礦，即可得到該光伏組件的伏一安特性曲線。測量過程中輻射光源與光伏組 件的距離要保持不變，以保證整個測量過程是在相同光照強度下進行的。2 分別測量以下幾種條件下光伏組件地伏安特性曲線：(1)輻射光源與光伏組件地距離為60 cml(2)輻射光源與光伏組件地距離為80 cml(3)輻射光源與光伏組件地距離為80 cm，并且光伏組件轉(zhuǎn)過一角度(如30度);(4)輻射光源與光伏組件地距離為80 cm,將兩組光伏組件串聯(lián)；(5)輻射光源與光伏組件地距離為80 cm,將兩組光伏組件并聯(lián)。3用坐標紙或計算機繪圖軟件畫出不同條件下：(1) 光伏組件的伏一安特性曲線；(2) 光伏組件的輸出功率尸隨負載電壓V的變化；(3) 光伏組件的輸出功率 P隨負載電阻R的變化。確定不同條件下光伏組件的短路電流Isc，開路電壓Voc，最大功率Pm，最佳工作電流Im :作電壓Vm及負載電阻Rm，填充因子FF,并將這些實驗數(shù)據(jù)列在同表格內(nèi)進行比較?！咀⒁馐马棥?輻