太陽(yáng)能電池——大學(xué)物理試驗(yàn)

1、太陽(yáng)能電池特性的測(cè)量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，新能源利用迫在眉睫。太陽(yáng)能是種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽(yáng)電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，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)?zāi)康? .學(xué)習(xí)太陽(yáng)能電池的發(fā)電的原

2、理2 .了解太陽(yáng)電池測(cè)量原理3 .對(duì)太陽(yáng)電池特性進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖1半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖區(qū)的太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一面積平面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)由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電幾乎沒(méi)有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P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)

3、合，使該區(qū)內(nèi)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)生電子一空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)P區(qū)有過(guò)量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形就可向負(fù)載輸出電能。測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出圖2太陽(yáng)能電池的輸出特性壘電場(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，成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路,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,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)

4、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(chēng)為最大輸出功率Pmax?！?000W/m22800W/m2600W/m22400W/m2200W/m2圖3不同光照條件下的I-V填充因子F.F定義為:PFF=m(1)VocIsc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rs定義為：“s(%)=2mHXMl0C%(2)PinPin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

5、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)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

6、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。圖4太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鴇燈，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(yáng)能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓/光強(qiáng)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“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到

7、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(guò)“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(guò)“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。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。

8、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)能電池。測(cè)試原理圖如圖5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。可謂電壓得太陽(yáng)能電池圖5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0.3V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13種太陽(yáng)能電池的暗伏安特性

9、測(cè)量電壓(V)電流(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33.63.9“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)量距光源一定距離的光強(qiáng)I,將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。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。將光強(qiáng)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)試儀的圖6開(kāi)路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量示意圖將光強(qiáng)探頭換成單晶

10、硅太陽(yáng)能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖6A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中。按圖6B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23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(cm)101520253035404550光強(qiáng)I(W/m)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圖7測(cè)量太陽(yáng)能電池輸出特性電阻箱根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫(huà)出三種太陽(yáng)能

11、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)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)算輸出功率Po=VXI,填于表3中。出電壓V和電流I,2按圖7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)乙、表33種太陽(yáng)能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)I=W/m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(yáng)能電池板上的光功率Pin=I>Sl,I為入射到太陽(yáng)能電池板表面的光強(qiáng)，S1為