太陽能電池特性測量

4.13太陽能電池特性測量太陽能的利用和太陽能電池特性的研究是21世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點課題。目前硅太陽能電池應(yīng)用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已應(yīng)用于許多民用領(lǐng)域：如太陽能汽車、太陽能路燈、太陽能游艇、太陽能收音機、太陽能計算機、太陽能鄉(xiāng)村電站等。太陽能是一種清潔、“綠色”能源，因此，世界各國十分重視對太陽能電池的研究和利用。本實驗的目的主要是探討太陽能電池的基本特性和光電轉(zhuǎn)換效率。實驗?zāi)康脑跊]有光照時，太陽能電池主要結(jié)構(gòu)為一個二極管，測量該二極管在正向偏壓時的伏安特性曲線，并求得電壓和電流關(guān)系的經(jīng)驗公式。測量太陽能電池在光照時的輸出伏安特性，測量短路電流、開路電壓、最大輸出功率及填充因子。測量太陽能電池的光照特性：短路電流、開路電壓與相對光強度之間的關(guān)系儀器用具THQTN-1型太陽能電池特性測試儀（太陽能電池板、光功率計探頭、直流電壓表、直流電流表、直流穩(wěn)壓電源、負(fù)載電阻、入射光強指示、白熾燈、導(dǎo)軌等）賣驗原理太陽能電池板結(jié)構(gòu)以硅太陽能電池為例，結(jié)構(gòu)示意如圖（4.13-1）。硅太陽能電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積PN結(jié)經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成。在N型材料層面上制作金屬柵線為面接觸電極，這樣就形成了太陽能電池板。為了減少光電池表面的反射損失，一般在表面覆蓋一層減反射膜。太陽能電池的基本特性用光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上時，半導(dǎo)體PN結(jié)吸收光能后，兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。由于P-N結(jié)耗盡區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在耗盡區(qū)中的電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開耗盡區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，P-N結(jié)兩端形成光生電動勢，這就是P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)。無光照時，太陽能電池正向uI特性太陽能電池工作原理基于光伏效應(yīng)。當(dāng)光照射到太陽能電池板時，太陽能電池能夠吸

收光的能量。并將所吸收的光子的能量轉(zhuǎn)換為電能。在沒有光照時，可將太陽能電池視為一個二極管，其正向電壓與通過的電流I的關(guān)系為I=I(e方-1) (4.13-1)式中，I和&是常數(shù)。太陽能電池的光照特性由半導(dǎo)體理論，二極管主要是由能隙為EC-EV的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖4.13-2所示。EC為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，EV為半導(dǎo)體價電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時，光子會被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光電流。假設(shè)太陽能電池的理論模型是由一個理想電流源(光照產(chǎn)生光電流的電流源)、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻R與一個電阻R所組成光子—電子I，能隙導(dǎo)電帶 E想二極管、一個并聯(lián)電阻R與一個電阻R所組成光子—電子I，能隙導(dǎo)電帶 EC空穴價電帶 EV如圖4.13-3所示。，圖4.13-3圖4.13-2圖4.13-2圖4.13-2中，I為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流能電池內(nèi)部二極管時電流。由基爾霍夫定律得：I為光照時通過太陽IR+U-(I-I-I)R=0式中，I為太陽能電池的輸出電流，UIR+U-(I-I-I)R=0式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由此式可得I(1+R$)=I-U-I

R PhRd，太陽能電池可簡化為圖4.13-4所示電路。假定R=8，R=0這里，I=Ih-Id=Ih-10(ePu-1)。在短路時，u=0，，圖4.13-4I=I;而在開路時，Iph$c=0,Isc-I(e^Jqc-1)=0，因此有U=—ln[L+1]

oc&I

0此式即為在R廣8和R=0的情況下，太陽能電池的開路電壓U(4.13-2)OC和短路電流、的關(guān)系式。其中U為開路電壓，I為短路電流，而I、p是常數(shù)。（1）太陽能電池負(fù)載U-I特性曲線當(dāng)太陽能電池接上負(fù)載人時，所得到的負(fù)載U-I特性曲線如圖（4.13-5）所示，負(fù)載R可從零變化到無窮大。（2）太陽能電池的填充因子ff當(dāng)負(fù)載為r時，太陽能電池的輸出功率最大，它對應(yīng)的最大功率為p:(4.13-3)式中I和式中I和U分別為最佳工作電流和最佳工作電壓，將開路電壓U與短路電流Ioc的乘積與最大輸出功率P之比定義為填充因子FF:（4.13-4）FF（4.13-4）FF取決于入射光UocLcU“cl填充因子FF為太陽能電池的重要特性參數(shù)，F(xiàn)F越大則輸出功率越高。強、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。（3）太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率門太陽能電池轉(zhuǎn)換效率門定義為太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能p之比，即(4.13-5)門=P(4.13-5)Pin儀器介紹:太陽能電池特性測試實驗儀主要由兩部分組成：太陽能電池實驗儀部分有：太陽能電池板及鎖緊螺釘，光功率計探頭，白熾燈，導(dǎo)軌，底座，實驗裝置如圖4.13-6所示。

圖4.13-6太陽能電池測試儀部分有：直流電壓表，直流電流表，入射光強指示，直流穩(wěn)壓電源，負(fù)載電阻。測試儀面板如圖4.13-7所示。THQTN-1型太陽能電池特性測試實驗儀直流電壓表 直流電流表 入射光強（V） （mA） mW/cm2負(fù)載電阻（負(fù)載電阻（Q）直流穩(wěn)壓電源+一圖4.13-7實驗內(nèi)容：測量太陽能電池?zé)o光照時的伏安特性實驗條件：用遮光罩擋光，使太陽能電池?zé)o光照。太陽能電池正向電壓測量范圍：0?3.00V，測量10個點，變化明顯處測量間隔要小。測量電路如圖4.13-8所示。由（4.13-1）式得匕=e國-1，當(dāng)U較大時，ePU>>1，即lnI=pU+lnI，對epu>>10的數(shù)據(jù)用最小二乘法處理，計算p、I及相關(guān)系數(shù)y，說明太陽能電池?zé)o光照時的伏安特性。不加偏壓，用白熾燈照射時，測量太陽能電池特性測量要求：4片太陽能電池串聯(lián)，光源到太陽能電池距離35cm。測量電路如圖4.13-9所示。

圖4.13-9圖4.13-9改變負(fù)載電阻R，測量在不同負(fù)載電阻下太陽能電池的輸出電壓U與電流I之間的關(guān)系，畫出U-I曲線。測量要求：負(fù)載電阻r的變化范圍：200?90000Q，測量40組，變化明顯處測量間隔要小。根據(jù)u-I曲線，用外推法求短路電流I和開路電壓u。計算負(fù)載電阻r不同時的輸出功率p=IxU，畫出輸出功率與負(fù)載電阻關(guān)系曲線，求出最佳工作電流I和最佳工作電壓u，并計算最大輸出功率p。計算填充因子FF。計算轉(zhuǎn)換效率門。照射到太陽能電池的總輻射能p=單位面積的入射光強jx太陽能電池有效面積。本實驗所用太陽能電池單片有效