太陽能電池特性實驗儀實驗指導(dǎo)說明

1、太陽能電池特性實驗 實驗指導(dǎo)及操作說明書中南大學(xué)物理實驗中心太陽能電池特性實驗本實驗研究單晶硅,多晶硅,非晶硅 3種太陽能電池的特性。實驗內(nèi)容1. 太陽能電池的暗伏安特性測量2. 測量太陽能電池的開路電壓和光強之間的關(guān)系3. 測量太陽能電池的短路電流和光強之間的關(guān)系4. 太陽能電池的輸出特性測量實驗原理 太陽能電池利用半導(dǎo)體 P-N 結(jié)受光照射時的光伏 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)體中有相當數(shù)量的空穴,幾乎沒有自由電子。 N 型半導(dǎo)體中有相當數(shù)量的自由電子,幾乎沒 有空穴。當兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成 P-N 結(jié)時, N

2、 區(qū)的電子(帶負電向 P 區(qū)擴散, P 區(qū)的空穴(帶正電向 N 區(qū)擴散,在 P-N 結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動,最終擴散與漂移達到平衡,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)。當光電池受光照射時,部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對,在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向 N 區(qū)和 P 區(qū),使 N 區(qū)有過量的電子而帶負電, 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

3、P-N 結(jié)兩端接入外電路, 就可向負載輸出電能。在一定的光照條件下,改變太陽能電池負載電阻的大小,測量其輸出電壓與輸出電流,得到輸出伏安特性,如圖 2實線所示。負載電阻為零時測得的最大電流 I SC 稱為短路電流。負載斷開時測得的最大電壓 V OC 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,負載電阻大 小不一樣時,輸出的功率是不一樣的。若以輸出 電壓為橫坐標,輸出功率為縱坐標,繪出的 P-V 曲線如圖 2點劃線所示。 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: scoc I V P F F =max

4、 (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 s 定義為:%100(% m a x =ins P P (2 Pin 為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實驗表明,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。 在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%,規(guī)模生產(chǎn)時的效率可達到 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,

5、而效率高于非晶硅薄膜電池,其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為 18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達到 10%。 因此, 多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(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。實驗儀器太陽能電池實驗裝置如圖 4所示,電源面板如圖 5所示。 圖 4 太陽能電池實驗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,具體數(shù)值由光強探頭測量。測試儀為實驗提供電源,同時可以測量并顯示電流、電壓、以及光強的數(shù)值。電壓源:可以

6、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量提供電壓。 電壓 /光強表:通過“測量轉(zhuǎn)換”按鍵,可以測量輸入“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(shù)值。表頭下方的指示燈確定當前的顯示狀態(tài)。 通過“電壓量程”或“光強量程” ,可以選擇適當?shù)娘@示范圍。電流表:可以測量并顯示 0200mA 的電流,通過“電流量程”選擇適當?shù)娘@示范圍。 圖 5 太陽能電池特性實驗儀實驗內(nèi)容與步驟暗伏安特性是指無光照射時,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)是一個大面積平面 P-N 結(jié),單個太陽能電池單元的 P-N 結(jié)面積已 遠大于普通的二極管。在實

7、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)及組成組件時的串并連關(guān)系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅 , 多晶硅,非晶硅太陽能 電池組件在無光照時的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖 6所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口,電阻 箱調(diào)至 50后串連進電路起保護作用,用電壓表測量太陽能電池兩端電壓,電流表測量回路中的電流。 圖 6 伏安特性測量接線原理圖將電壓源調(diào)到 0V ,然后逐漸增大輸出電壓,每間隔

8、 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量以電壓作橫坐標,電流作縱坐標,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管的伏安特性有何異同。2.開路電壓,短路電流與光強關(guān)系測量打開光源開關(guān),預(yù)熱 5分鐘。打開遮光罩。將光強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 試儀的“光強輸入”接口上。測試儀設(shè)置為“光強測量” 。 由近及遠移動滑動支架,測量距 光源一定

9、距離的光強 I ,將測量到的光強記入表 2。 將光強探頭換成單晶硅太陽能電池,測試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖 7A 接線 , 按測 量光強時的距離值(光強已知 ,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)測量步驟,并記錄數(shù)據(jù)。 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)，畫出三種太陽

10、能電池的開路電壓隨光強變化的關(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變化的關(guān)系曲線。 3太陽能電池輸出特性實驗 按圖 8 接線，以電阻箱作為太陽能電池負載。在一定光照強度下（將滑動支架固定在導(dǎo)軌 上某一個位置） ，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,并計算輸出功率 PO=V× I，填于表 3 中。 表 3 3 種太陽能電池輸出特性實驗 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 I(A 輸 出 功 率 PO(W 輸 出 電 壓 多晶

11、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 I= 1.2 1.6 W/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 0 0.4 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，對應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負載。 由（1）式計算填充因子。 由（2）式計算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率 Pin=I× S，I 為入射到太陽能電