太陽能電池綜合實驗

1、太陽能電池（硅光電池）基本特性的研究太陽能電池又稱光生伏特電池，簡稱光電池。它是一種將太陽或其他光源的光能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。由于它具有重量輕、使用安全、無污染等特點，在目前世界性能源短缺和環(huán)境保護(hù)形勢日益嚴(yán)峻的情況下，人們對太陽能電池寄予厚望。太陽能電池很可能成為未來電力的重要來源，美國預(yù)期到2005年太陽能電站將提供美國30%的電力。同時，太陽能電池在現(xiàn)代檢測和控制技術(shù)中也有十分重要的地位，在衛(wèi)星和宇宙飛船上都用太陽能電池作為電源。本實驗對太陽能電池的基本特性做初步研究。實驗?zāi)康牧私馓柲茈姵氐幕窘Y(jié)構(gòu)及基本原理。研究太陽能電池的基本特性：太陽能電池的開路電壓和短路電流以及它們與入射光強

2、度的關(guān)系;太陽能電池的輸出伏安特性等。實驗儀器HN-TYN-II太陽能電池（硅光電池）基本特性測量儀、實驗裝置、負(fù)載電阻模板。實驗裝置實驗裝置由光源和太陽能電池兩部分組成,如圖1所示。太陽能電池圖12.負(fù)載電阻模板如圖2所示。圖2實驗原理太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)。太陽能電池用半導(dǎo)體材料制成，多為面結(jié)合PN結(jié)型，靠PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電動勢。常見的有硅光電池和硒光電池。在純度很高、厚度很薄(0.4mm)的N型半導(dǎo)體材料薄片的表面，采用高溫擴散法把硼擴散到硅片表面極薄一層內(nèi)形成P層，位于較深處的N層保持不變，在硼所擴散到的最深處形成PN結(jié)。從P層和N層分別引出正電極和負(fù)電極，上表面涂有一層防反射膜

3、，其形狀有圓形、方形、長方形，也有半圓形。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)兩種不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時。由于分界層(PN結(jié))兩邊存在著載流子濃度的突變，必將導(dǎo)致電子從N區(qū)向P區(qū)和空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散運動，擴散結(jié)果將在PN結(jié)附近產(chǎn)生空間電荷聚集區(qū)，從而形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。當(dāng)有光照射到PN結(jié)上時，具有一定能量的光子，會激發(fā)出電子-空穴對。這樣，在內(nèi)部電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，而空穴被拉向P區(qū)。結(jié)果在P區(qū)空穴數(shù)目增加而帶正電，在N區(qū)電子數(shù)目增加而帶負(fù)電，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動勢，這就是太陽能電池的電動勢。若太陽能電池接有負(fù)載，電路中就有電流產(chǎn)生。這就是太陽能電池的基本原

4、理。單體硅光電池在陽光照射下，其電動勢為0.5-0.6V，最佳負(fù)荷狀態(tài)工作電壓為0.4-0.5V，根據(jù)需要可將多個太陽能電池串并聯(lián)使用。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率太陽能電池在實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換時，并非所有照射在電池表面的光能全部被轉(zhuǎn)換為電能。例如，在太陽照射下，硅光電池轉(zhuǎn)換效率最高，但目前也僅達(dá)22%左右。其原因有多種，如：反射損失；波長過長的光(光子能量小)不能激發(fā)電子空穴對，波長過短的光固然能激發(fā)電子-空穴對，但能量再大，一個光子也只能激發(fā)一個電子-空穴對；在離PN較遠(yuǎn)處被激發(fā)的電子-空穴對會自行重新復(fù)合，對電動勢無貢獻(xiàn)；內(nèi)部和表面存在晶格缺陷會使電子-空穴對重新復(fù)合；光電流通過PN結(jié)時會有漏電等

5、。太陽能電池的基本特性太陽能電池的開路電壓與入射光強度的關(guān)系太陽電池的開路電壓是太陽能電池在外電路斷開時兩端的電壓，用U表示，亦即太陽能電池的電動勢。在無光照射時，開路電壓為零。8太陽能電池的開路電壓不僅與太陽能電池材料有關(guān)，而且與入射光強度有關(guān)，而且與入射光強度有關(guān)。在相同的光強照射下，不同材料制做的太陽能電池的開路電壓不同。理論上，開路電壓的最大值等于材料禁帶寬度有1/2。例如，禁帶寬度為l.leV的硅做太陽能電池，開路電壓為0.5-0.6V。對于給定的太陽能電池，其開路電壓隨入射光強度變化而變化。其規(guī)律是：太陽能電池開路電壓與入射光強度的對數(shù)成正比，即開路電壓隨入射光強度增大而增大，但入

6、射光強度越大，開路電壓增大得越緩慢。太陽能電池的短路電流與入射光的關(guān)系太陽能電池的短路電流就是它無負(fù)載時回路中電流，用I表示。對給定的太陽能電池，其短路電流與入射光強度成正比。對此，我們是容易理解的，因為入射光強度越大，光子越多，從而由光子激發(fā)的電子-空穴對越多，短路電流也就越大。在一定入射光強度下太陽能電池的輸出特性當(dāng)太陽能電池兩端連接負(fù)載而使電路閉合時，如果入射光強度一定則電路中的電流I和路端電壓U均隨負(fù)載電阻的改變而改變，同時，太陽能電池的內(nèi)阻也隨之變化。太陽能電池的輸出伏安特性曲線如圖4所示。MM圖4圖4中，1為U=0,即短路時的電流，就是在該入射光強度下的太陽SC能電池的短路電流IU

7、為1=0，即開路時的路端電壓，也就是太陽能SC8電池在該入射光強度下的開路電壓，曲線上任一點對對應(yīng)的I和U的乘積(在圖中則是一個矩形的面積)，就是太陽能電池在相應(yīng)負(fù)載電阻時的輸出功率P。曲線上有一點M，它的對應(yīng)I和U的乘積(即圖中畫斜線mpmp的矩形面積)最大?？梢?，太陽能電池僅在它的負(fù)載電阻值為U和Impmp值時，才有最大輸出功率。這個負(fù)載電阻稱為最佳負(fù)載電阻，用R表示。mp因此，我們通過研究太陽能電池在一定入射光強度下的輸出特性，可以找出它在該入射光強度下的最佳負(fù)載電阻。它在該負(fù)載電阻時工作狀態(tài)為最佳狀態(tài)，它的輸出功率最大。(4)太陽能電池在一定入射光強度下的曲線因子(或填充因子)FF曲線

8、因子定義式為FF=(UI)/(UI)mpmp8SC我們知道，在一定入射光強度下，太陽能電池的開路電壓U和8短路電流I是一定的。而U和I分別為太陽能電池在該入射光強度下SCmpmp輸出功率最大時的電壓和電流?？梢姡€因子的物理意義是表示太陽能電池在該入射光強度下的最大輸出效率。從太陽能電池的輸出伏安特性曲線來看，曲線因子FF的大小等于斜線矩形的面積（與M點對應(yīng)）與矩形IU的面積（與M點對應(yīng)）之比。SC8如果輸出伏安特性曲線越接近矩形，則M與M就越接近重合，曲線因子FF就越接近1,太陽能電池的最大輸出效率就越大。四實驗內(nèi)容與步驟太陽能電池基本常數(shù)的測定（1）測定在一定入射光強度下太陽能電池的開路

9、電壓U和短路電8流I。SC調(diào)節(jié)光源與太陽能電池處于適當(dāng)位置不變。測出太陽能電池的開路電壓U（電流表不接入）。8測出太陽能電池的短路電流I。SC（2）測定太陽能電池的開路電壓和短路電流與入射光強度的關(guān)系。光源與太陽能電池正對時，測出開路電壓U和短路電流I。TOC o 1-5 h z81SC1轉(zhuǎn)動太陽能電池一定角度（如15。）測出U和I。82SC2轉(zhuǎn)動太陽能電池角度為30。、45。、60。、75。、90。時，測出不同位置下的U和I。8SC自擬數(shù)據(jù)表格，并用坐標(biāo)紙畫出I0及U0曲線。SC8在一定入射光強度下，研究太陽能電池的輸出特性。保持光源和太陽能電池處于適當(dāng)?shù)奈恢貌蛔儯幢３秩肷涔鈴姸炔蛔?。?

10、）測量開路電壓u和短路電流I。8SC太陽能電池(硅光電池)基本特性測量儀一.用途HN-TYN-II太陽能電池(硅光電池)基本特性測量儀，主要用于大學(xué)物理實驗中：1.了解太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及基本原理；2.研究太陽能電池的基本特性。技術(shù)數(shù)據(jù)電源：220V土10%，頻率：50Hz光源：100W鹵鎢燈太陽能電池功率：5W電流測量范圍：20mA、200mA二檔，三位半數(shù)字顯示。電壓測量范圍：2V、20V二檔，三位半數(shù)字顯示。負(fù)載電阻：099.99KQ三、使用說明1.太陽能電池基本常數(shù)的測定測定在一定入射光強度下太陽能電池的開路電壓U和短路電8流I。SC調(diào)節(jié)光源與太陽能電池處于適當(dāng)位置不變。測出太陽能電

11、池的開路電壓U(電流表不接入)。8測出太陽能電池的短路電流I。SC測定太陽能電池的開路電壓和短路電流與入射光強度的關(guān)系。光源與太陽能電池正對時，測出開路電壓U和短路電流I。81SC1轉(zhuǎn)動太陽能電池一定角度(如15。)測出U和I。82SC2轉(zhuǎn)動太陽能電池角度為30。、45。、60。、75。、90。時，測出不同位置下的U和I。8SC自擬數(shù)據(jù)表格，并用坐標(biāo)紙畫出I0及U0曲線。SC8在一定入射光強度下，研究太陽能電池的輸出特性。保持光源和太陽能電池處于適當(dāng)?shù)奈恢貌蛔?，即保持入射光強度不變。測量開路電壓U和短路電流I。8SC分別測出不同負(fù)載電阻下的電流I和電壓U。根據(jù)U、I及一系列相應(yīng)的R、U、I值。填入自擬表格中。8SC計算在該入射光強度下，與各個R相對