太陽能電池伏安特性的測量

1、內(nèi)電場圖2載流子擴(kuò)散形成內(nèi)電場P:N實(shí)驗(yàn)17太陽能電池伏安特性的測量太陽能電池也稱光伏電池，是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。它是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的心臟。它具有不消耗常規(guī)能源、壽命長、維護(hù)簡單、使用方便、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn)。太陽能電池已作為空間探索的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備，氣象臺站，航標(biāo)燈的重要電源。目前，太陽電池已廣泛用于收音機(jī)、計(jì)算機(jī)、交通信號等方面。在發(fā)達(dá)國家太陽能光伏發(fā)電已進(jìn)入城市電網(wǎng)。太陽能光伏發(fā)電有望成為21世紀(jì)的重要能源，在世界能源構(gòu)成中占有一定的地位。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解太陽能電池的工作原理及基本結(jié)構(gòu)。2測量太陽能電池的伏安特性曲線。實(shí)驗(yàn)原理1太

2、陽能電池的結(jié)構(gòu)硅光電池按襯底材料的不同可分為2DR和2CR型。圖1為2DR型結(jié)構(gòu)示意圖。它是以P型硅為襯底（厚約500pm）,在其上面用擴(kuò)散法制作一層厚約03pm的N型層，并將它作為受光面。在N型層上制作金屬柵線，作為輸出電極，目的是減小光電池的內(nèi)阻。在整個(gè)背面制作金屬膜背電極。在光敏面上涂一層極薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮，防塵等保護(hù)作用，又可以減小硅光電池表面對入射光的反射，增強(qiáng)對入射光的吸收。2CR型電池則是以N型硅為襯底制作的。2.PN結(jié)的內(nèi)建電場在P型（或N型）半導(dǎo)體襯底上，用擴(kuò)散方法形成一層N型（或P型）層。在P區(qū)（空穴導(dǎo)電）和N區(qū)（電子導(dǎo)電）交界處，由于兩邊電子和空穴濃度

3、不同，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。于是，在P區(qū)形成負(fù)電層，N區(qū)形成正電層，如圖2所示。這兩個(gè)帶電層形成一個(gè)內(nèi)電場，它反過來又阻擋上述擴(kuò)散，直到擴(kuò)散作用與阻擋作用達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。一般所說PN結(jié)就是指這層阻擋層。如果在PN結(jié)兩端外加正向電壓（P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)），如圖3（a）所示。則外加電外電場*Y內(nèi)電場擴(kuò)散電滾(a)圖3正向偏置電壓場與PN結(jié)內(nèi)建電場方向相反，它將削弱內(nèi)電場對載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻擋，使擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行。而且由電源補(bǔ)充擴(kuò)散電荷，使二極管導(dǎo)通，形成穩(wěn)定的電流。其電路符號如圖3（b）。3.PN結(jié)的光電轉(zhuǎn)換過程光照射在PN結(jié)上時(shí)，存在下列幾種情況：1）光被半導(dǎo)體表面反射而不能

4、進(jìn)入材料內(nèi)部。例如潔凈硅表面對0.41微米波長的光的反射系數(shù)約為30%。這對光電池是一個(gè)很大的損失。因此應(yīng)釆用合適的表面抗反射涂層來減少損失。2）進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光子能量若小于材料的禁帶寬度，光線將透過該材料而不被吸收。因此選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料和制作工藝，使太陽能電池有較好的光譜特性是十分重要的。常規(guī)的硅光電池光譜響應(yīng)波長范圍在041pm,峰值響應(yīng)波長約為09pm3）進(jìn)入電池的光子能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度時(shí)，能在材料內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對，但若沒有一種機(jī)制將電子一空穴對分離開，電子與空穴又將很快復(fù)合而不能成為載流子。PN結(jié)的內(nèi)建電場在分離電子一空穴對的過程中起了關(guān)鍵的作用。電子與空穴如果在復(fù)合之

5、前受到內(nèi)電場作用，把P區(qū)產(chǎn)生的電子拉到N區(qū)，而把N區(qū)產(chǎn)生的空穴拉向P區(qū)。使N區(qū)獲得附加的負(fù)電荷，P區(qū)獲得了附加的正電荷。這樣，在PN結(jié)上產(chǎn)生了一個(gè)光生電動(dòng)勢。這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。4光電池的等效電路在光照條件下，如果圖4中的光電池的外回路斷開（R圖4光電池工祚原理fv-8）,產(chǎn)生了數(shù)值等于開路電壓VOC的最大光生電勢。如果將光電池外負(fù)載短路（R=0）,那么被結(jié)分開的電子和空穴不可能在結(jié)處積累，在光生電勢的驅(qū)使下流經(jīng)外回路，產(chǎn)生了數(shù)值等于短路電流Isc的最大的光生電流.。光電池外按負(fù)載R這是正常使用情況。光生電流流經(jīng)R產(chǎn)生一個(gè)電壓降V=IR（圖4）。從而使P區(qū)電位高于N區(qū)，相當(dāng)于圖3（a）中的正

6、向偏置電壓。因此在PN結(jié)中有從P區(qū)流向N區(qū)的二極管導(dǎo)通電流ID。它的方向與光生電流方向相反。通過上面的分析，可以畫出光電池的等效電路（圖5）。太陽能電池相當(dāng)于一個(gè)電流為IP的恒流源。它在工作時(shí)又相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)通的二極管，存在導(dǎo)通電流ID。RSh是PN結(jié)的并聯(lián)電阻。表示PN結(jié)存在泄漏電流。不過在現(xiàn)代工藝條件下。泄漏電流很小，可以認(rèn)為RSh遠(yuǎn)大于RS和R而忽略不計(jì)。RS是太陽能電池電極等引起的串聯(lián)電阻。在制作太陽能電池時(shí)，應(yīng)盡量減小RS.5硅光電池的伏安特性1R0'圖5光電池的等效電路由光電池等效電路可以看出，流過負(fù)載的電流I=IP-IDo式中的ID是因PN結(jié)二極管特性存在的導(dǎo)通電流。IO為

7、二極管反向飽和電流,V為PN結(jié)兩端電壓；e是電子電量；k是玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；n稱為理想系數(shù)，是表示PN結(jié)特性的參數(shù)，其理論值為1,取值在12之間。于是，光電池輸出電流evI=IIexplnkT丿一1PO式中Ip是光生電流；當(dāng)太陽能電池輸出端短路時(shí)，V=0,由式（2）可知短路電流Isc=Ip即太陽能電池的短路電流等于光生電流。當(dāng)太陽能電池的輸出端開路時(shí)，I=0由式（1）和式（3）可得開路電壓V=nkTIn°ce+1'0丿太陽能電池接上負(fù)載R時(shí)的伏安特性曲線如圖（6）所示。在最佳負(fù)載R情況下，可使電池輸出m功率最大sc(4)P=IVmmm式中I和V分別為最佳工作電流和

8、最佳工作mm電壓。定義填充因子圖6硅光電池的伏安特性曲線VImmVIocPFFm=VIocsc填充因子FF為太陽能電池的重要表征參數(shù)。FF越大。說明電池對太陽能的利用率越高。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，并聯(lián)電阻等。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率n定義為其最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能P之比。(7)耳Mx100%p它與入射光的波長和電池的材料有關(guān)。實(shí)驗(yàn)儀器硅太陽能電池、60W白熾燈、電阻箱、數(shù)字萬用表、穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.無光照時(shí)，在正向偏壓下測量硅光電池的伏安特性。按圖（7）接電路，無光照時(shí)，硅光電池在正向偏置電壓下的導(dǎo)通性質(zhì)類似普通二極管。偏壓由062OV,注意

9、在V較大時(shí)，測得密一些，將數(shù)據(jù)記入表1。+光電池一-勰由式（1）+爲(wèi)v1我們估計(jì)一下指數(shù)的量級:0波爾茲曼常數(shù)k=138X10a-23J/K，e=16X10入19C,常溫下T300K，取理想因子n=2,貝0nkT2X300X1.38X10A-23=828X10入2110八-2oj。若正向偏壓V1V，則eV1.6x10-19J因此圖7無光照測量IVeenKTV>>1，即有Ini=Ini+。由InIV圖直0nKT線截距InIO可求得飽和暗電流IO由斜率可求得e/nkTo2測量光電池的負(fù)載特性。（1）按圖（8）接電路，不加偏壓。白光源到光電池的距離20cm（使光線直射在光電池）。為避免環(huán)境雜散光干擾，在光電池的側(cè)面加放遮光罩。改變負(fù)載電阻，測量光電組輸出1、V,電阻R取值從01kC50kQ，數(shù)據(jù)記入表2.（2）作硅光電池的伏安特性曲線。沿曲線變化趨勢使曲線分別與I軸和V軸相交，找出短路電流I和sc開路電壓V并與直接測量結(jié)果II比較。ocsc，oc（3）作輸出功率P隨負(fù)載電阻變化的關(guān)系曲線。找出對應(yīng)最大輸出功率PM的最佳負(fù)載電阻人。（4）在IV圖上，由斜率為I/Rm的直線，與曲圖8有光照測量IV線的交點(diǎn)坐標(biāo)可求硅光電池最佳工作電流IM和最佳工作電壓VM，進(jìn)而求出填充因子FF=V IMMV IOCSC數(shù)據(jù)表格表1光照正向伏安特性V(v)I(pA