SACⅠ太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說(shuō)明書(shū)

1、ZKY-SAC-太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說(shuō)明書(shū)太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的最大問(wèn)題。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲(chǔ)量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的CO2、SO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風(fēng)雨和酸雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人類(lèi)帶來(lái)無(wú)窮的煩惱。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過(guò)500億噸。我國(guó)能源消費(fèi)以煤為主，CO2的排放量占世界的15%，僅次于美國(guó)，所以減少排放CO2、SO2等溫室氣體，已經(jīng)成為

2、刻不容緩的大事。推廣使用太陽(yáng)輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢(shì)。廣義地說(shuō)，太陽(yáng)光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽(yáng)能,它們隨著太陽(yáng)和地球的活動(dòng)，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會(huì)枯竭，因此我們把它們稱(chēng)為可再生能源。太陽(yáng)的光輻射可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭的能源。太陽(yáng)與地球的平均距離為1億5千萬(wàn)公里。在地球大氣圈外，太陽(yáng)輻射的功率密度為1.353kW /m2，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。到達(dá)地球表面時(shí)，部分太陽(yáng)光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時(shí)，太陽(yáng)輻射的功率密度約為1kW /m2 ，通常被作為測(cè)試太陽(yáng)電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。太陽(yáng)光輻射的能量非常巨

3、大，從太陽(yáng)到地球的總輻射功率比目前全世界的平均消費(fèi)電力還要大數(shù)十萬(wàn)倍。每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能。太陽(yáng)能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽(yáng)能的應(yīng)用是世界性的趨勢(shì)。太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高。光電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽(yáng)能發(fā)電目前成本較高，所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，2002年，國(guó)家有關(guān)部

4、委啟動(dòng)了“西部省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過(guò)太陽(yáng)能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)的用電問(wèn)題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽(yáng)能發(fā)電有望在不久的將來(lái)在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅太陽(yáng)能電池，化合物太陽(yáng)能電池，聚合物太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池等。其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽(yáng)能電池的特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量2 測(cè)量太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和光強(qiáng)之間的關(guān)系3 測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流

5、和光強(qiáng)之間的關(guān)系4 太陽(yáng)能電池的輸出特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)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(yáng)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(méi)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(méi)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， 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(guò)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(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)

6、幾乎沒(méi)有能導(dǎo)電的載流子，又稱(chēng)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(guò)量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過(guò)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(yáng)能電池負(fù)載電阻的大小，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ISC稱(chēng)為短路電流。負(fù)載斷開(kāi)時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱(chēng)為開(kāi)路電壓。太陽(yáng)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

7、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(chēng)為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為： （1）填充因子是表征太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.750.8之間。轉(zhuǎn)換效率s定義為： （2）Pin為入射到太陽(yáng)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(zhǎng)，而開(kāi)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(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)

8、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。但由于單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)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(lái)的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)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(wú)疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展方向之一。 實(shí)驗(yàn)儀器太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，

9、電源面板如圖5所示。圖4 太陽(yáng)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(yáng)光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽(yáng)能電池之間的距離可以改變照射到太陽(yáng)能電池上的光功率，具體數(shù)值由光功率計(jì)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、以及光功率的數(shù)值。電壓源：可以輸出08V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓/光功率表：通過(guò)“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光功率輸入”接口的光功率計(jì)探頭測(cè)量到的光功率數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過(guò)“電壓量程”或“光功率量程”，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(guò)“電流

10、量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。圖5 太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無(wú)光照射時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽(yáng)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(yáng)能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。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(lèi)似于普通二極管，但取決于太陽(yáng)能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。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(huà)出單晶硅, 多晶硅，非晶硅太陽(yáng)能電池組件在無(wú)光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽(yáng)能

11、電池。測(cè)試原理圖如圖6所示。將待測(cè)的太陽(yáng)能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。 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(yáng)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 3種太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量電壓（V）電流(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-8-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33

12、.63.9以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。討論太陽(yáng)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(kāi)路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開(kāi)遮光罩。將光功率探頭裝在太陽(yáng)能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀的“光功率輸入”接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光功率測(cè)量”。 由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離的光強(qiáng)I=P/S,P為測(cè)量到的光功率，S=0.2cm2為探頭采光面積。將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。將光功率探頭換成單晶硅太陽(yáng)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(kāi)路電壓值于表2

13、中。按圖7B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽(yáng)能電池更換為多晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽(yáng)能電池更換為非晶硅太陽(yáng)能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表2 3種太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系距 離（）101520253035404550光功率（W）光強(qiáng)I=P/S（W/m2）單晶硅開(kāi)路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）多晶硅開(kāi)路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）非晶硅開(kāi)路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫(huà)出三種太陽(yáng)能電池的開(kāi)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(huà)出三種太陽(yáng)能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。3太陽(yáng)能電池輸

14、出特性實(shí)驗(yàn) 按圖8接線，以電阻箱作為太陽(yáng)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(yáng)能電池板安裝到支架上，通過(guò)改變電阻箱的電阻值，記錄太陽(yáng)能電池的輸出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率PO=V×I，填于表3中。表3 3種太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 光強(qiáng)I= W/m2單晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽(yáng)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