付志海12141030太陽能電池研究性報告

1、 太陽能電池特性測量實驗 基礎物理實驗研究性報告太陽能電池特性測量實驗12141030 付志海 20 / 19目錄摘要4一實驗要求5二實驗原理5三實驗儀器介紹6四、實驗內容8五、數(shù)據處理115.1硅太陽能電池的暗伏安特性測量135.1.1單晶硅145.1.2多晶硅145.1.3非晶硅145.2開路電壓，短路電流與光強關系測量145.2.1單晶硅145.2.2多晶硅145.2.3非晶硅145.3太陽能電池輸出特性實驗145.3.1單晶硅145.3.2多晶硅145.3.3非晶硅14六、實驗經驗與改進建議摘要本文以“太陽能電池特性測量”為主要內容，先介紹了太陽能電池的發(fā)展背景，然后介紹了實驗的基本原

2、理與過程，而后進行了數(shù)據處理，并對試驗中可能產生的誤差進行了分析，介紹了實驗經驗，并提出實驗細則改進方案。關鍵詞：太陽能電池 輸出特性 暗伏安特性一、實驗要求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系3 測量太陽能電池的短路電流和光強之間的關系4 太陽能電池的輸出特性測量二、實驗原理1、太陽能電池太陽能電池利用半導體P-N結受光照射時的光伏效應發(fā)電，太陽能電池的基本結構就是一個大面積平面P-N結，圖1為P-N結示意圖。P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成P-N結時，N區(qū)的電子（

3、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結的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結區(qū)或耗盡區(qū)。當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產生電子空穴對，在結區(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結兩端形成電壓，這就是光伏效應，若將P-N結兩端接入外電路，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

4、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ISC稱為短路電流。負載斷開時測得的最大電壓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Pmax。填充因子F.F定義為： （1）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，電池的光電轉換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.750.8之間。轉換效率s定義為： （2）Pin為入射到

5、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換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%，規(guī)模生產時的效率可達到15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據主導地位。但由于單晶硅價格高，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，其實驗室最高轉換效率為18%

6、,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率可達到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主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產，有極大的潛力。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。三、儀器介紹太陽能電池基本特性測量實驗裝置如圖7所示，電源面板如圖8所示。圖7 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：可以輸出08V連續(xù)可調的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量

7、提供電壓。電壓/光強表：通過“測量轉換”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。太陽能電池應用系統(tǒng)的實驗裝置如圖9所示，由太陽能電池組件，實驗儀和測試儀3部分組成。各部件的基本參數(shù)如下：太陽能電池 單晶硅太陽能電池，標稱電壓12V，標稱功率2W光源 100W碘鎢燈，為保證太陽能電池不因過熱損壞，使用時調節(jié)至離太陽能電池最遠負載組件 01K，2W直流風扇 12V，1WLED燈

8、直流15V，0.4WDC-DC 升降壓DC-DC，輸入535V，輸出1.517V，1A超級電容 2.3F，11V蓄電池 12V，1.3AH（安時）逆變器 DC12VAC220V，75W交流負載 節(jié)能燈，5W圖8 太陽能電池特性實驗儀圖9 太陽能電池應用實驗裝置四、實驗內容（一）太陽能電池基本特性測量1硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時，流經太陽能電池的電流與外加電壓之間的關系。太陽能電池的基本結構是一個大面積平面P-N結，單個太陽能電池單元的P-N結面積已遠大于普通的二極管。在實際應用中，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

9、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，結構及組成組件時的串并連關系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求分別測試并畫出單晶硅, 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10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10 伏安特性測量接線原理圖將電壓源調到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。然后再次將電壓輸入調到0V，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

10、壓，逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據。2開路電壓，短路電流與光強關系測量打開光源開關，預熱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。測試儀設置為“光強測量”。 由近及遠（從10cm到50cm）移動滑動支架，測量距光源一定距離（每隔5cm）的光強I。將光強探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設置為“電壓表”狀態(tài)。按圖11A接線，按測量光強時的距離值（光強已知），記錄開路電壓值。按圖11B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，重復上述測量步驟，并記錄數(shù)據。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能

11、電池，重復上述測量步驟，并記錄數(shù)據。3太陽能電池輸出特性實驗 按圖12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（按照每隔0.2V的間隔）和電流I。若時間允許，可改變光照強度（改變滑動支架的位置），重復前面的實驗。4、注意事項在預熱光源的時候，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實驗誤差；光源工作及關閉后的約1小時期間，燈罩表面的溫度都很高，請不要觸摸；可變負載只能適用于本實驗，否則可能燒壞可變負載；220V電源需可靠接地。五、數(shù)據處理太陽能電池

12、板面積50*50 mm2一硅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，根據表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。1. 原始數(shù)據二開路電壓，短路電流與光強關系測量畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強變化的關系曲線；畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強變化的關系曲線。1. 原始數(shù)據 三太陽能電池輸出特性實驗根據表3數(shù)據作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。在實驗的光照條件下，找出最大功率點，對應的電阻值即為最佳匹配負載。最大功率點對應的輸出電壓和電流是多少？ 由（1）式計算填充因子。由（2）式計算轉換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=IS1，I為入射到太陽能

13、電池板表面的光強，S1為太陽能電池板面積。1. 原始數(shù)據距離為20cm，光強I=478W/m2Pin=IS=478*0.050*0.050*1000 mW=1195mW數(shù)據處理（1）單晶硅 單晶硅最大輸出功率為96.87mW,此時I=43.25mA，U=2.24V，最佳匹配電阻為51.79FF=96.87/(2.69*47.1)=0.7646 效率=96.87/1195=8.106 多晶硅最大輸出功率為54.57mW,此時I=23.9mA，U=2.28V，最佳匹配電阻為95.53FF=54.57/(2.61*42.6)=0.4908 效率=54.57/1195=4.567 非晶硅最大輸出功率為11.34mW,此時I=5.3mA，U=2.24V，最佳匹配電阻為422.64FF=11.34/(2.84*7.7)=0.5186 效率=11.34/1195=0.949六、實驗經驗與改進建議通過遮擋實驗做出的簡單假設設計提高太陽能電池的沖淡效率，有實驗可以的得出影響太陽能電池的主要因素有：制造太陽能電池本身材料，這將決定電池的根本屬性，其次電池硅片的排列，DC-AC充電方式，光強都會對充電時間產生較大的影響，我們可以增強單位面積上的光強，在太陽能電池前面加如一塊凸透鏡，匯聚大面積的光強，同時不能使