太陽能電池的光照特性及實(shí)驗(yàn)估測

1、太陽能電池的光照特性及實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)質(zhì)上，硅光電池就是一個(gè)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(jià)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(kuò)散硼而形成P型層（或在P型硅單晶片上擴(kuò)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(hù)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(hù)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(cuò)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(jià)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(gè)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(jià)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(yuǎn)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(jì)算器、電子表及小型收音機(jī)供電等。隨著造價(jià)的降低，太陽能電池很快向民用 普及，一個(gè)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(jìn)入實(shí)用階段）。太陽能電池作為電源優(yōu)點(diǎn)有：簡便、無運(yùn)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(qiáng)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(shí)，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(jì)、照相機(jī)曝光表等 ）以及路燈、航標(biāo)自動(dòng)控制等裝置時(shí)，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(huì)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(shí)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(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)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(dá)24%A上，但目前實(shí)際上已能達(dá)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(jìn)一步提高，屆時(shí)，其應(yīng)用范圍將更為廣闊。三、太陽能電池光照特性

7、的實(shí)驗(yàn)估測實(shí)驗(yàn)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(dòng)換檔數(shù)字式照度計(jì)（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(tái) （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(dá)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(jì)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(dòng)時(shí)估讀（如有指針式照度計(jì)反倒方便些）。另外，實(shí)驗(yàn)操作者不宜穿著淺色服裝，以免在移動(dòng)中干擾照度計(jì)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(qiáng)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(tái)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(qiáng)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(shí)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