太陽能電池的光照特性及實驗估測

1、太陽能電池的光照特性及實驗估測人教版高中物理第二冊必修和選修課本都在“閉合電路歐姆定律”一節(jié)選用了有關(guān)太陽能電池的習(xí) 題。許多學(xué)生套用干電池電動勢和內(nèi)電阻可視為定值的“約定”，誤以為太陽能電池也該如此。究竟太陽 能電池有怎樣的特征？筆者探討如下，僅供參考。一、太陽能電池簡介太陽能電池是光電池的一種，它是直接利用光能產(chǎn)生電能的器件。太陽能電池通常用硒、砷化鎵、硅等多種材料制成，耳前用得最廣的是硅材料制成的硅光電池（目前各種資料給出的多為此種電池的參數(shù)）。實質(zhì)上，硅光電池就是一個大面積的P-N結(jié)，其原理、光譜響應(yīng)特性與光電二極管相同。早期的硅光電池原材料為單晶硅，大多是用坩鍋法拉制出來的，成品率不

2、很高，又要經(jīng)過掐頭去尾、切片、研磨等加工工序，材料損失很大，故造價較高。這種單晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在N型硅片上擴散硼而形成P型層（或在P型硅單晶片上擴散 N型雜質(zhì)制成）。為減少表面對光的反射， 在其表面形成了由SiQ2制成的保護膜，并引出正、負(fù)電極，形成光電池。L璇璃2透耶#電層3-SiH層 4出區(qū)5處聚樹脂涂層6保護出（即要求雜質(zhì)由于硅太陽能電池對所用的硅材料的要求不象晶體管、可控硅器件、集成電路那樣嚴(yán)格及位錯少），所以近幾年已經(jīng)采用多晶硅直接制造太陽能電池 （多晶硅又名非晶硅）。圖2為采用氫化非晶 硅為基底材料的非晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖，它以玻璃材料（及多種廉價材料）作襯底，

3、所以可根據(jù)用途切割成不同的大小形狀，使用起來非常方便。這種非晶硅太陽能電池不僅工藝成本低，而且光吸收系數(shù)比單晶硅太陽能電池大一個數(shù)量級，因此只需要1呵厚的薄層就能有效地吸收陽光（單晶硅太陽能電池則需要25 m以上厚度）。因此，其造價約為單晶硅太陽能電池的50%這樣類型的太陽能電池在各方面得到更廣泛的應(yīng)用。太陽能電池主要用作電源。它特別適用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船（從某種意義上說，太陽能電池的壽命決定了它們的工作壽命）；另外，也適用于無人值守的燈塔、航標(biāo)燈、山頂電視中繼站、氣象觀測站等用 途，也適用于邊遠農(nóng)村、牧區(qū)、哨卡等野外工作照明用電及生活用電、沙漠地區(qū)灌溉用電等。在日常生活 中，小型太陽能電池

4、可供計算器、電子表及小型收音機供電等。隨著造價的降低，太陽能電池很快向民用 普及，一個平均每天用電為 8度（KW h）的家庭，只要在房頂放置約 5m2的太陽能電池板就可滿足供應(yīng) （日 本已進入實用階段）。太陽能電池作為電源優(yōu)點有：簡便、無運轉(zhuǎn)部件、無氣體污染及噪聲等，完全迎合 當(dāng)今綠色環(huán)保的潮流，況且太陽能的巨大存量及硅在地殼中的豐富含量，也決定了太陽能電池符合了可持 續(xù)發(fā)展的主題。二、太陽能電池的基本特性幾乎所有的硅太陽能電池的資料都是在30C下入射光強度為100mWT cm2的特定條件下測得的，不管是2CR型還是2DR型，其開路電壓均在 450600mv范圍內(nèi)，短 路電流均在1.8 mA以

5、上。我們把開路電壓和短路電流與 光照度的關(guān)系稱為硅光電池的光照特性。由圖3可以看出，開路電壓Uoc與照度E在2000Lx（勒 克斯）以下呈線性關(guān)系，在2000Lx以上開始呈非線性關(guān)系。短路電流Isc與照度E呈線性關(guān)系，受光照的結(jié)面積越大。短路電流也越大，一般在1000LX照度下，短路電流在23mA/cm 2范圍內(nèi)。當(dāng)光電池負(fù)載電阻 Rl不為零時，其線性范圍與負(fù)載電阻大小有關(guān)。所以，當(dāng)光電池被利用其光電變 換原理制成各種光電測量儀器 （如照度計、照相機曝光表等 ）以及路燈、航標(biāo)自動控制等裝置時，為保證測 量的線性關(guān)系，應(yīng)采用較小的負(fù)載電阻。除光照特性外，光電池的參數(shù)也會隨溫度改變而發(fā)生變化，但基

6、本上成線性關(guān)系。如開路電壓的溫度 系數(shù)為（-0.3-0.5）%/ C ;短路電流的溫度系數(shù)為 0.18%/C。一般允許使用溫度范圍不大于100C。另外，技術(shù)上還用響應(yīng)時間來表征光電池對突變光照的反應(yīng)速度。由于光電池的P-N結(jié)面積大，其結(jié)電容也大，故其響應(yīng)時間要比光電二極管慢得多，一般為10-61O-10S。這是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)時必須考慮的因素之一。光電池最大的輸出電功率與入射光功率的比值，稱為光電池的轉(zhuǎn)換效率。過去認(rèn)為在理論上，轉(zhuǎn)換效 率可達24%A上，但目前實際上已能達到30%上下。今后，隨著新型材料的出現(xiàn)，光電池的轉(zhuǎn)換效率有望進一步提高，屆時，其應(yīng)用范圍將更為廣闊。三、太陽能電池光照特性

7、的實驗估測實驗器材：J2520型太陽能演示器太陽能電池板，它由6片10X 90 mm玻璃襯底多晶硅電池板串聯(lián)而成。標(biāo)稱最大開路電壓為3.5 V，最大短路電流為 50mA。MF30型萬用電表，用直流5V檔，內(nèi)阻約80KI）。MF47型萬用電表，直流O.5mA檔，內(nèi)阻約600 Q; 5mA檔，內(nèi)阻約 65Q; 50mA檔，內(nèi)阻約 10Q。ZDS-10型自動換檔數(shù)字式照度計（上海市嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠產(chǎn)）。測試方法：室內(nèi)漫反射光可利用紗門開閉程度或塑料百葉窗的葉片開閉角度來調(diào)節(jié)光照度。室外可利用由陽臺 （或走廊）等陽光不直射處向陽光處過渡來調(diào)節(jié)光照度。開路電壓用萬用表 5伏檔測量，雖然并非真正開路，但80

8、KQ的內(nèi)阻使我們可粗略認(rèn)為是測量開路電壓。為讀數(shù)方便，開路電壓自0.1伏起按0.1伏增幅遞增至所能達到的最大值。全過程不換檔。短路電流用萬用表上述幾種檔位測量，由于表內(nèi)阻并非很小，且多次換檔，直接跨接在待測太陽能電 池板兩極上的測量值并非真正的短路電流，只能粗略反映一些情況。數(shù)字式照度計對光照度的反應(yīng)極為靈敏，讀數(shù)變化太快，很難待其穩(wěn)定下來讀數(shù)，只能抓住其上下波 動時估讀（如有指針式照度計反倒方便些）。另外，實驗操作者不宜穿著淺色服裝，以免在移動中干擾照度計的讀數(shù)。筆者于2002年4月18日中午（晴、氣溫210C測得下列數(shù)據(jù)（見附表）。雖然不像理論值那樣標(biāo)準(zhǔn)，但 也至少反映了開路電壓和“短路電

9、流”是隨光照度增強而增大的數(shù)量關(guān)系。四、建議教師可采用可控硅調(diào)光臺燈連續(xù)改變照度，配合J2520型電池板及示教電表為學(xué)生做演示。雖然光照度無測量數(shù)據(jù)，但學(xué)生能直觀其強弱變化與電池板開路電壓讀數(shù)變化的簡單規(guī)律，頭腦中對硅太陽能電池 認(rèn)識就較為明確了，印象也較為深刻了。附表照度E(Lx)10120231342962776893010981295152016801780197121202300開路電壓Uoc（V）0.100.200.300.400.500.600.700.800.901.001.101.201.301.401.50短路電流Isc（mA）0.050.110.180.250.330.410.480.840.991.121.261.401.531.781.99照度E(Lx)265031303860470064