太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)

太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染。太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池四大類(lèi)，其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)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23%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為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，但由于單晶硅成本價(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(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)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)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。太陽(yáng)能的利用和太陽(yáng)能電池的特性研究是21世紀(jì)的熱門(mén)課題，許多發(fā)達(dá)國(guó)家正投入大量人力物力對(duì)太陽(yáng)能接收器進(jìn)行研究。我們開(kāi)設(shè)此太陽(yáng)能電池的特性研究實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解太陽(yáng)能電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對(duì)兩種性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性的物理實(shí)驗(yàn)，聯(lián)系科技開(kāi)發(fā)實(shí)際，有一定的新穎性和實(shí)用價(jià)值?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹繜o(wú)光照時(shí)，測(cè)量太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線；有光照時(shí)，測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，I對(duì)U變化關(guān)系，畫(huà)出IU曲線圖；并測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流I、開(kāi)路電壓U、最大輸出功率P及填充因子FF；SCOC max3-測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流ISC、開(kāi)路電壓UOC與光照度L的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)儀器】白熾燈源、太陽(yáng)能電池板、光照度計(jì)、電壓表、電流表、滑線變阻器、穩(wěn)壓電源、單刀開(kāi)關(guān)連接導(dǎo)線若干【實(shí)驗(yàn)原理】太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū),電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光伏效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。在沒(méi)有光照時(shí)，可將太陽(yáng)能電池視為(-qu在沒(méi)有光照時(shí)，可將太陽(yáng)能電池視為(-qu=IenKT個(gè)二極管，其正向偏壓U與通過(guò)的電流I的關(guān)系為⑴其中I。是二極管的反向飽和電流,n是理想二極管參數(shù)，理論值為1°K是玻爾茲曼常量，q為電子的電荷量，T為熱力學(xué)溫度。（可令3=亠）-nKT由半導(dǎo)體理論知,二極管主要是由如圖所示的能隙為E-E的半導(dǎo)體所構(gòu)成。E為半導(dǎo)體導(dǎo)CV C電帶，E為半導(dǎo)體價(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，光子被半導(dǎo)體所吸收，并產(chǎn)生電子■空穴對(duì)。V電子-空穴對(duì)受到二極管內(nèi)電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。0電子導(dǎo)電帶（】％）光子7WVWV*； 能隙十空穴價(jià)電帶（叭）圖1光伏效應(yīng)示意圖太陽(yáng)能電池的基本技術(shù)參數(shù)除短路電流?廠和開(kāi)路電壓U夕卜，還有最大輸出功率P和填充因子SC OC maxFF。最大輸出功率p也就是IU的最大值。填充因子FF定義為maxFF=Pmax「［u （2）SCOCFF是代表太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。FF值越大，說(shuō)明太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率越高。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1?在沒(méi)有光源（全黑）的條件下，測(cè)量單晶硅太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的I-U特性（直流偏壓從0-3.0V）（1）連接電路圖。丄十穩(wěn)壓電源一太陽(yáng)能電池板丄十穩(wěn)壓電源一太陽(yáng)能電池板4—圖2I-U特性測(cè)量電路（2）利用測(cè)得的正向偏壓時(shí)I-U關(guān)系數(shù)據(jù)，畫(huà)出I-U曲線并求出常數(shù)3_亠和I的值。P-nKT 02?在不加偏壓時(shí)，用白色光照射，測(cè)量多晶硅太陽(yáng)能電池一些特性。注意此時(shí)光源到太陽(yáng)能電池距離保持為20cm（1）連接電路圖。(2)(4)(5)(2)(4)(5)圖3恒定光源太陽(yáng)能電池特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，I對(duì)U變化關(guān)系，畫(huà)出I-U曲線圖。求短路電流I和開(kāi)路電壓U。SC OC求太陽(yáng)能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時(shí)負(fù)載電阻。計(jì)算填充因子FF=PmaiyjU'SCOC測(cè)量太陽(yáng)能電池的光電效應(yīng)與電光性質(zhì)改變太陽(yáng)能電池到光源的距離，用光照度計(jì)測(cè)量該處的光照度L，測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到不同光照度L時(shí)，相應(yīng)的/和%的值。1)設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖，并連接。測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到不同光照度L時(shí)相應(yīng)的I和U的值。SCOC描繪I和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求I與光照度L之間的近似關(guān)系函數(shù)。SCSC描繪U和與光照度L之間的關(guān)系曲線，求U與光照度L之間的近似關(guān)系函數(shù)。OCOC【數(shù)據(jù)記錄及處理】1．全暗情況下(太陽(yáng)能電池板倒扣在黑橡膠桌面上)太陽(yáng)能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性測(cè)量連接電路如圖2，結(jié)果填入表1。表1太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的I-U特性U(V)456789101112131415161718I(mA)用坐標(biāo)紙畫(huà)出太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的I-U特性曲線，并求出常數(shù)卩和-的值在不加偏壓時(shí)，把太陽(yáng)能電池板倒扣在投影儀玻璃面上，緊貼投影儀玻璃面，測(cè)量不同負(fù)載時(shí)太陽(yáng)能電池的輸出電流與太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系。并測(cè)量短路電流I和開(kāi)路電壓U，計(jì)算最大輸出SCOC功率P和填充因子FF。連接電路如圖3，結(jié)果填入表2。max

表2不同負(fù)載時(shí)太陽(yáng)能電池的輸出電流與太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系R(Q)5101520253035404550U(v)I(mA)P(mW)R(Q)556065707580859095100U(v)I(mA)P(mW)I=I=SC P= maxU=OCFF= 畫(huà)出R-P曲線圖，求出Pmax和對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池r.R()R()3?測(cè)量多晶硅太陽(yáng)能電池板I和U與光照度L的關(guān)系。SCOC表3太陽(yáng)能電池板的I和U與光照度L的關(guān)系SCOCL= (lux)(照度計(jì)緊貼投影儀玻璃面)Oh(lux)05101520253035(lux)I(mA)SCU(V)OCL(lux)畫(huà)出L-Isc曲線圖及L-Uoc曲線圖.把多晶硅太陽(yáng)能電池板換成單晶硅太陽(yáng)能電池板，重復(fù)3。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求】寫(xiě)明本實(shí)驗(yàn)的目的、意義。闡明本實(shí)驗(yàn)的基本原理。記下實(shí)驗(yàn)所用儀器和裝置。記錄實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，包括實(shí)驗(yàn)步驟，各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、研究和討論。本實(shí)驗(yàn)的總結(jié)、收獲、體會(huì)，也可提出自己新的設(shè)想。對(duì)教學(xué)工作的意見(jiàn)和建議。注意事項(xiàng)】連接電路時(shí)，保持太陽(yáng)能電池?zé)o光照條件。連接電路時(shí)，保持電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。打開(kāi)白幟燈光源時(shí)間盡量要短，注意隨時(shí)關(guān)掉。思考題】1.太陽(yáng)能電池是由什么材料做成的？它的工作