研究性報告-太陽能電池的應用及發(fā)展前景分析

1、 PAGE 在此處鍵入基礎物理實驗研究性報告基礎物理實驗研究性報告太陽能電池原理及應用前景分析第一作者：李潛彤 12071046第二作者：劉夢洋 12071053第三作者：毛遠峰 12071038第四作者：趙成 12071037 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388304418 摘要 PAGEREF _Toc388304418 h 4 HYPERLINK l _Toc388304419 一實驗原理 PAGEREF _Toc388304419 h 5 HYPERLINK l _Toc388304420 二實驗儀器 PAGEREF _Toc388304420

2、 h 6 HYPERLINK l _Toc388304421 三實驗內容及數據處理 PAGEREF _Toc388304421 h 9 HYPERLINK l _Toc388304422 （一）太陽能電池基本特性測量 PAGEREF _Toc388304422 h 9 HYPERLINK l _Toc388304423 1硅太陽能電池的暗伏安特性測量 PAGEREF _Toc388304423 h 9 HYPERLINK l _Toc388304424 2開路電壓，短路電流與光強關系測量 PAGEREF _Toc388304424 h 11 HYPERLINK l _Toc388304425

3、3太陽能電池輸出特性實驗 PAGEREF _Toc388304425 h 13 HYPERLINK l _Toc388304426 （二）太陽能電池應用系統(tǒng)系列實驗I PAGEREF _Toc388304426 h 15 HYPERLINK l _Toc388304427 1、失配及遮擋對太陽能電池輸出的影響實驗 PAGEREF _Toc388304427 h 15 HYPERLINK l _Toc388304428 2、太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實驗 PAGEREF _Toc388304428 h 16 HYPERLINK l _Toc388304429 四太陽能電池的應用現狀與發(fā)展前

4、景 PAGEREF _Toc388304429 h 18 HYPERLINK l _Toc388304430 五討論 PAGEREF _Toc388304430 h 18摘要：在現今能源短缺的時代，人類推廣使用太陽輻射能是今后的必然趨勢。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電干凈，不產生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為最理想的能源。故筆者認為，研究太陽能電池發(fā)電原理,了解太陽能發(fā)電發(fā)展歷程和前景對今后可再生能源的學習是很有意義的。本文提出了太陽能電池發(fā)電原理及探究其特性的測量、應用實驗，最后介紹太陽能發(fā)電的應用現狀與發(fā)展前景。關鍵詞：太陽能電池，太陽能電池基本特性測量，太陽能電

5、池產業(yè)一實驗原理太陽光照在半導體 HYPERLINK /view/70124.htm p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結 HYPERLINK /view/63151.htm 電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就形成 HYPERLINK /view/10897.htm 電流。這就是 HYPERLINK /view/14336.htm 光電效應太陽能電池的工作原理。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，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

6、。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，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為入射到太陽能電池表面的光功率。 太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉換方式，另一種是光電直接轉換方式。 光熱電轉換方式通過利用太陽 HYPERLINK /view/2121

7、.htm 輻射產生的 HYPERLINK /view/148748.htm 熱能發(fā)電，一般是由 HYPERLINK /view/381741.htm 太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動 HYPERLINK /view/33757.htm 汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉換過程；后一個過程是熱電轉換過程，與普通的 HYPERLINK /view/57396.htm 火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴510倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資2025億美元， 平均1kW的投資為20002500美元。太陽能電池發(fā)電是根據特定材料

8、的光電性質制成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應于不同頻率)的電磁波。當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高.太陽電池發(fā)電是一種可再生的 HYPERLINK /view/13704.htm 環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產生 HYPERLINK /view/17816.htm 二氧化碳等 HYPERLINK /view/3185.htm 溫室氣體，不會對 HYPERLINK /view/13655.htm 環(huán)境造成 HYPERLINK /view/469.htm 污染。按照制作材料分為 HYPERLINK

9、/view/4748.htm 硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。二實驗儀器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

10、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”，可以選擇適當的顯示范圍。電流表：可以測量并顯示0200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當的顯示范圍。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 直流15V，0.4WDC-DC 升降壓DC-DC，輸入535V，輸

11、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三實驗內容及數據處理（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。本實驗提供的組件是將若干單元并聯。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

12、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壓，逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數據。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。正向反向電壓/V電流/mA電壓/V電流/mA 單晶硅多晶硅非晶硅單晶硅多晶硅非晶硅000000000.30.0050.0050.250-1-0.015-0.015-0.9020.60.0190.0150.520-2-0.030-0.030-

13、2.00.90.0480.0390.804-3-0.047-0.047-100.1001.116-4-0.067-0.067-300.2481.462-5-0.088-0.091-280.6321.929-6-0.114-0.123-501.7552.8002.44.0006.3004.1002.715.6031.006.1002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

14、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，并記錄數據。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復上述測量步驟，并記錄數據。 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。距離/cm光強單晶硅多晶硅非晶硅U/VI/mAU/VI/mAU/VI/mA1015202.96104.52.77132.02.8424.4157382.8852.02.6360.6

15、2.5210.9204022.7929.42.53252522.7222.52.4621.81.883.8301722.6716.72.415.01.662.635127.12.6212.52.3511.11.462.04098.62.579.82.318.61.261.54578.72.537.92.286.91.081.25064.12.40.931.03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

16、I。單晶U/V0.0150.3010.6120.9031.2081.5001.8082.582.61I/mA26.026.026.026.026.026.025.824.522.5多晶U/V0.0160.2860.6100.9081.2301.5151.792.132.332.442.502.51I/mA26.926.926.926.926.926.925.423.50.3非晶U/V00.020.520.861.121.371.691.932.00I/mA2.00.80.4單晶硅最大功率多晶硅最大功率非晶硅最大功率填充因子計算：單晶硅 多晶硅 非晶硅轉換效率： 單晶硅 多晶硅 非晶硅（二）太陽

17、能電池應用系統(tǒng)系列實驗 = 1 * ROMAN I1、失配及遮擋對太陽能電池輸出的影響實驗太陽能電池在串、并聯使用時，由于每片電池電性能不一致，使得串、并聯后的輸出總功率小于各個單體電池輸出功率之和，稱為太陽能電池的失配。太陽能電池由于云層，建筑物的陰影或電池表面的灰塵遮擋，使部分電池接收的輻照度小于其它部分，這部分電池輸出會小于其它部分，也會對輸出產生類似失配的影響。太陽能電池并聯連接時，總輸出電流為各并聯電池支路電流之和。在有失配或遮擋時，只要最差支路的開路電壓高于組件的工作電壓，則輸出電流仍為各支路電流之和。若有某支路的開路電壓低于組件的工作電壓，則該支路將作為負載而消耗能量。由太陽能電

18、池的伏安特性可知，太陽能電池在正常的工作范圍內，電流變化很小，接近短路電流，電池的最大輸出功率與短路電流成正比。表1 遮擋對太陽能電池輸出的影響遮擋條件無縱向橫向遮擋面積/10%20%50%25%50%75%短路電流62.558.441.80.9793.20.9430.360由所測數據可知遮擋對太陽能電池輸出影響極大，切縱向遮擋比橫向遮擋影響更深。2、太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實驗本實驗對比太陽能電池直接對超級電容充電和在太陽能電池后加DC-DC再對超級電容充電。說明不同充電方式下充電特性的不同及充電方式對超級電容充電效率的影響。本實驗所用DC-DC采用輸入反饋控制，在工作過程中保持輸入

19、端電壓基本穩(wěn)定。若太陽能電池光照條件不變，并調節(jié)DC-DC使輸入電壓等于太陽能電池最大功率點對應的輸出電壓，即可實現在太陽能電池的最大功率輸出下的恒功率充電。理論上，采用最大功率輸出下的恒功率充電，太陽能電池一直保持最大輸出，充電效率應該最高。在目前系統(tǒng)中，由于太陽能電池輸出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使兩種方式充電效率（以從同一低電壓充至額定電壓所需時間衡量）差別不大，但從測量結果可以看出充電特性的不同。按圖15a，將負載組件接入超級電容放電，控制放電電流小于150mA，使電容電壓放至低于1V。按圖15b接線，做太陽能電池直接對超級電容充電實驗，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充

20、電電流I值，充電至11伏時停止充電。將超級電容再次放電后，按圖15c接線，先將電壓表接至太陽能電池端，調節(jié)DC-DC使太陽能電池輸出電壓為最大功率電壓。然后將電壓表移至超級電容端（此時不再調節(jié)DC-DC旋鈕），做加DC-DC后對超級電容充電實驗，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充電電流I值，充電至11伏時停止充電。 加DC-DCt/s0306090120150180210240I/mA50.550.851.051.151.051.050.950.950.9U/V1.092.042.853.664.405.125.826.487.09t/s270300330360390420450I/mA50.5

21、50.149.045.6U/V7.738.358.919.5010.0310.5911.0不加DC-DCt/s0306090120150180210240I/mA11294.378.664.957.051.047.644.441.4U/V1.012.293.634.525.245.896.456.957.41t/s270300330360390420450480510I/mA39.537.435.734.332.832.0U/V7.868.278.669.059.409.7610.1010.4110.71t/s540I/mA28.6U/V11.0四太陽能電池的應用現狀與發(fā)展前景查閱資料可知現如

22、今可以大批量生產的主要有以下幾種太陽能電池材料：第一便是實驗中所用到的非晶硅材料，目前非晶硅電池存在的主要問題是光轉換效率低，國際先進水平只有10%左右，而且不夠穩(wěn)定，常有轉換效率衰退的現象，所以尚未大量用于作為大型太陽能電源，而多半用于弱光源，如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復印機方面，估計效率衰退問題克服后，非晶硅太陽能電池將促進太陽能利用的大發(fā)展。第二便是多元化合物薄膜太陽能電池如硫化鎘、碲化鎘電池等，上述電池中盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅低，并且也易于大規(guī)模生產，但是因為鎘有劇毒，容易產生環(huán)境污染問題，因此并不是制造太陽能電池的理想材料。而有機物太陽能電池制備工藝簡單，具有制造面積大、價格低廉、簡易、柔性等優(yōu)點，可以制備在卷曲折疊的襯底上形成柔性的太陽能電池，目前有機太陽能電池在特定條件