太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲量調(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C°so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,給人類帶來無窮的煩惱。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)在全球每年排放的已經(jīng)超過500億噸。我國能源消費(fèi)以煤為主，CO2的排放量占世界的15%，僅次于美國，所以減少排放CO2、SO2等溫室氣體，已經(jīng)成為刻不容緩的大事。推廣使用太陽輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等

2、可再生能源是今后的必然趨勢。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。太陽與地球的平均距離為1億5千萬公里。在地球大氣圈外，太陽輻射的功率密度為1.353kW/m2，稱為太陽常數(shù)。到達(dá)地球表面時(shí)，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時(shí)，太陽輻射的功率密度約為1kW/m2，通常被作為測試太陽電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽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

3、萬倍。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。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢。太陽能發(fā)電有兩種方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，太陽能熱發(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)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(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，國家有關(guān)部委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決

4、西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽能發(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。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(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種太陽能電池的特性。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)之間的關(guān)系3測量太陽能電池的短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系4太陽能電池的輸出特性測量實(shí)驗(yàn)原理太陽能電池利用半導(dǎo)體

5、P-N結(jié)受光照射時(shí)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(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)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)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(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被

6、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(fù)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，改變太陽能電池負(fù)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(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測得的最大電流ISC稱為短路電流。負(fù)載斷開時(shí)測得的最大電壓VOc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(fù)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

7、。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為：P1）FF=maxscVXIoc填充因子是表征太陽電池性能優(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n定義為：$P耳（）=-sP（）inPin為入射到太陽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，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池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(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%,規(guī)

8、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能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽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(jìn)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(shí)驗(yàn)儀器圖4太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)

9、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功率，具體數(shù)值由光功率計(jì)測量。測試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測量并顯示電流、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。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電壓/光功率表：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“光功率輸入”接口的光功率計(jì)探頭測量到的光功率數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“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：可以測量并顯示0200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟詳見實(shí)驗(yàn)室操作板思考題：1. 太陽能電池作為光電探測器，在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)，探測器的輸出響應(yīng)與光強(qiáng)成正