補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)一4 太陽(yáng)電池伏一安特性的測(cè)量

1、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)一4 太陽(yáng)電池伏一安特性的測(cè)量 太陽(yáng)電池(Solar Cells)，也稱為光伏電池，是將太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池方陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽(yáng)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(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用方便、功率大小可任意組合、無(wú)噪音、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。世界上第一塊實(shí)用型半導(dǎo)體太陽(yáng)電池是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于l954年研制的。經(jīng)過(guò)人們40多年的努力，太陽(yáng)電池的研究、開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化己取得巨大進(jìn)步。目前，太陽(yáng)電池已成為空問(wèn)衛(wèi)星的基本電源和地面無(wú)

2、電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域(通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等)的重要電源。隨著太陽(yáng)電池制造成本的不斷降低，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將逐步地部分替代常規(guī)發(fā)電。近年來(lái)，在美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已進(jìn)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(yán)重的戰(zhàn)略觀點(diǎn)出發(fā)，世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)十分重視，將其擺在可再生能源開(kāi)發(fā)利用的首位。因此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電有望成為21世紀(jì)的重要新能源。有專家預(yù)言，在21世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占世界總發(fā)電量的1520，成為人類的基礎(chǔ)能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有一定的地位?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 了解太陽(yáng)電池的工作原理

3、及其應(yīng)用；2 測(cè)量太陽(yáng)電池的伏一安特性曲線?！緦?shí)驗(yàn)原理】1太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)光 以晶體硅太陽(yáng)電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。晶體硅太陽(yáng)電池以硅半導(dǎo)體材料制成大面積pn結(jié)進(jìn)行工作。一般采用n+p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，如在約1cm×10 cm面積的P型硅片(厚度約5009m)上用擴(kuò)散法制作出一層很薄(厚度0.3m)的經(jīng)過(guò)重參 n雜的n型層。然后在n型層上面制作 D金屬柵線，作為正面接觸電極。在整個(gè)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(yáng)太陽(yáng)光pn 減反射膜表面電極圖1晶體硅太陽(yáng)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(gè)表面上再覆蓋一層減反射膜。2光伏效應(yīng) 當(dāng)光

4、照射在距太陽(yáng)電池表面很近的pn結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。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(kuò)散。只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)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(fù)電荷間形成一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由n區(qū)指向P區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)。這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子(空穴)在內(nèi)建電場(chǎng)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(kuò)散到結(jié)界面處，也會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向n區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子一空

5、穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向n區(qū)和P區(qū)。如果外電路處于開(kāi)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(fù)電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)(Photovoltaic Efiect，縮寫(xiě)為PV)。3太陽(yáng)電池的表征參數(shù) 太陽(yáng)電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)。當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n區(qū)到P區(qū)的光生電流。同時(shí)，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l"1區(qū)，與光生電流相反。因此，實(shí)際獲得的電流，為式中為結(jié)電壓，為二極管的反向飽和電流，為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和

6、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，為波爾茨曼常數(shù)，T為溫度。 如果忽略太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻，即為太陽(yáng)電池的端電壓以則(1)式可寫(xiě)為 (2)當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端短路時(shí)，V=0(0)，由(2)式可得到短路電流(3)即太陽(yáng)電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端開(kāi)路時(shí)，I=0，由(2)和(3)式可得到開(kāi)路電壓 (4) 當(dāng)太陽(yáng)電池接上負(fù)載R時(shí)，所得的負(fù)載伏一安特性曲線如圖2所示。負(fù)載R可以從零到無(wú)窮大。當(dāng)負(fù)載使太陽(yáng)電池的功率輸出為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率為 (5)式中和分別為最佳工作電流和最佳工作電壓。將與的成積與

7、最大功率Pm之比定義為填充因子FF，則(6)FF為太陽(yáng)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(qiáng)、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(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率77定義為太陽(yáng)電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能 之比，即 % (7)V 圖2太陽(yáng)電池的伏一安特性曲線太陽(yáng)電池可用pn結(jié)二極管D、恒流源 、太陽(yáng)電池的電極等引起的串聯(lián)電阻R。和相當(dāng)于pn結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻組成的電路來(lái)表示，如圖3所示，該電路為太陽(yáng)電池的等效電路。由等效電路圖可以得出太陽(yáng)電池兩端的電流和電壓的關(guān)系為 (8)為了使太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)儀器】1

8、 太陽(yáng)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(wàn)用表，2個(gè)。4 接線板，負(fù)載電阻?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】圖3太陽(yáng)電池的等效電路1將太陽(yáng)能光伏組件，數(shù)字萬(wàn)用表，負(fù)載電阻通過(guò)接線板連接成回路，改變負(fù)載電阻R，測(cè)量流經(jīng)負(fù)載的電流I負(fù)載上的電壓礦，即可得到該光伏組件的伏一安特性曲線。測(cè)量過(guò)程中輻射光源與光伏組件的距離要保持不變，以保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程是在相同光照強(qiáng)度下進(jìn)行的。2分別測(cè)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(guò)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(biāo)紙或計(jì)算機(jī)繪圖軟件畫(huà)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(fù)載電壓V的變化；(3)光伏組件的輸出功率P隨負(fù)載電阻R的變化。確定不同條件下光伏組件的短路電流，開(kāi)路電壓，最大功率，最佳工作電流：作電壓及負(fù)載電阻，填充因子FF，并將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列在同表格內(nèi)進(jìn)行比較?！咀⒁馐马?xiàng)】1輻射光源的溫度較高，