太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明(精)

1、太陽能電池特性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書中南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅,非晶硅3種太陽能電池的特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量2. 測(cè)量太陽能電池的開路電壓和光強(qiáng)之間的關(guān)系3. 測(cè)量太陽能電池的短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系4. 太陽能電池的輸出特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏 效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本 結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平 面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量 的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒 有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié) 合在一起形成P-N結(jié)時(shí),N區(qū)的電子（帶負(fù)電向P區(qū)擴(kuò)散

2、，P區(qū)的空穴（帶正電向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流 子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在 空間電荷區(qū)內(nèi),P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使 該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和 空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量 的空穴而帶正電,P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是 光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可 向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電

3、阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出 電流,得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流I SC稱為短路電流。負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓 V0C稱為開路電壓。太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電 流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大 小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出 功率為縱坐標(biāo) 繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘 積值稱為最大輸出功率P max。填充因子F.F定義為：sc0C I V P F F ? =? max (1空間電荷區(qū) 圖1半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖I VI轉(zhuǎn)換效率n癥義為:%100(% m a x ?=ins P

4、P n (2 Pfe入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而 開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。硅太陽能電池分為單晶硅、多晶硅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(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效 率為24.7%規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到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。但單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難。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(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。因此,多 晶硅薄膜電池可能在未來的太

5、陽能電池市場(chǎng)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,便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。實(shí)驗(yàn)儀器太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,電源面板如圖5所示。可蜜負(fù)載I 試件色太附枕電?*1I LU PT. /圖4太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的 距離可以改變照射到太陽能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提 供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源:可以輸出08V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測(cè)量提 供電壓。電壓/光強(qiáng)表:通過測(cè)量

6、轉(zhuǎn)換”按鍵,可以測(cè)量輸入 電壓輸入”接口的電壓, 或接入光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng) 前的顯示狀態(tài)。通過 電壓量程”或 光強(qiáng)量程”可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表:可以測(cè)量并顯示0200mA的電流,通過 電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范 圍。4ixaA禹4<WA«*i«A丙<Aa»tilSV .圖5太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極

7、管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干 電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的 伏安特性雖類似于普通 二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串 并連關(guān)系。,多晶硅,非晶硅本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫出單晶硅 太陽能電池組件在無光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測(cè)試原理圖如圖6所示。將待測(cè)的太陽能電池接到測(cè)試儀上的電壓輸出”接口 ,電阻箱調(diào)至50Q后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽能電池兩端電壓，電流 表測(cè)量回路中的電流?？芍^電壓源太陽能電池圖6伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大

8、輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。記錄到 表1中。將電壓輸入調(diào)到0V。然后將 電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽 能電池加上反 向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1 中。表1三種太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲 線。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。2.開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將光強(qiáng)探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電 池特性測(cè) 試儀的 光強(qiáng)輸入”接口上。測(cè)試儀設(shè)置為 光強(qiáng)測(cè)量”。由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離

9、的光強(qiáng)I，將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2?？芍^電壓源將光強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽能電池，測(cè)試儀設(shè)置為 電壓表”狀態(tài)。按圖7A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知，記錄開路電壓值于表2中。按圖7B接線,記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。跚離（cm）101520253035光® I （ W/m"）第5頁開路電壓VOC單晶硅（V）短路電流ISC（mA）開路電壓VOC多晶硅（V）短路電流ISC （mA）開路電壓VOC非晶硅（V）短路電流ISC（mA）根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三

10、種太陽能電池的開路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。3太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)按圖8接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌 上某一個(gè)位置），分別將三種太陽能電池板安裝到 支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率PO=VX I，填于表3中。表3 3種太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 2距離=30 cm S=0.003 m輸出電壓0.4 0. 0 V(V 8單晶硅輸出電流l(A輸出功率PO(W輸 出 電 壓多晶 硅 V(V 輸出電流 I(A 0 0.4 8 0. 1.2 1.6 1.8 2.0 2.1 2.2 ,光強(qiáng) 1= 1.2 1.6W/m 1.8 2 2.0 2.1 2.2 ,第6頁輸出功率PO（W輸出電壓V（V非晶 硅輸出電流I（A輸出功率PO（W 00.4 8 0. 1.2 1.6 1.8 2.0 2.1 2.2 ,根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲 線及功率曲線，并與圖2比較。找出最大功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù) 載。由（1）式計(jì)算填充因子。由（2）式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上 的光功率Pin=l）S, I為入射到太陽能