SLXY型太陽能電池特性研究與應用綜合實驗

1、太陽能電池特性研究與應用（SLXY型太陽能電池特性研究與應用綜合實驗儀）實驗講義蘇州科技學院研制杭州精科儀器有限公司實驗一、太陽能電池基本特性的測量太陽能的利用和太陽能電池特性研究是世紀新型能源開發(fā)的重點課題。目前硅太陽能電池應用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已大量用于民用領(lǐng)域：如太陽能汽車、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，太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電能。【實驗目的】1 在沒有光照時，太陽能電池主要結(jié)構(gòu)為一個二極管，測量

2、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。2 測量太陽能電池在光照時的輸出伏安特性，作伏安特性曲線圖，由圖求得它的短路電流()、開路電壓()、最大輸出功率及填充因子。填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。3 測量太陽能電池的光照特性：測量短路電流和相對光強度之間關(guān)系，畫出與相對光強之間的關(guān)系圖；測量開路電壓和相對光強度之間的關(guān)系，畫出與相對光強之間的關(guān)系圖。【實驗原理】太陽能電池在沒有光照時其特性可視為一個二極管，在沒有光照時其正向偏壓與通過電流的關(guān)系式為： (1)(1)式中，和是常數(shù)。由半導體理論，二極管主要是由能隙為的半導體構(gòu)成，如圖1所示。為半導體導電

3、帶，為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子會被半導體吸收，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)電阻與一個電阻所組成，如圖所示。圖中，為太陽能電池在光照時的等效電源輸出電流，為光照時通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得： （2）（2）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（1）式可得： （3）假定和，太陽能電池可簡化為圖所示電路。這里，。在短路時，；而在開路時，； （4）（4）式即為在和的情況下，太陽能電池的開路電壓和短路電流的關(guān)系式。其

4、中為開路電壓，為短路電流，而、是常數(shù)。【實驗裝置】光具座及滑塊座、具有引出接線的盒裝太陽能電池板、數(shù)字萬用表1只（用戶自備）、電阻箱1只（用戶自備）、碘鎢燈白光光源1只（功率）、直流穩(wěn)壓電源（連續(xù)可調(diào)）、導線若干、遮光罩1個?！緦嶒瀮?nèi)容】1在無光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池施加正向偏壓時的特性：（1）按實驗要求畫出測量的實驗線路圖；（2）根據(jù)正向偏壓時關(guān)系測量數(shù)據(jù)，畫出曲線并求得常數(shù)和的值。2在白光光源照射下，不加偏壓，測量太陽能電池光照特性。注意此時光源到太陽能電池距離保持不變。（1）畫出測量線路圖。（2）測量電池在不同負載電阻下，對變化關(guān)系，畫出曲線圖。（3）用外推法求短路電流和開路

5、電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率和最大輸出功率時對應的負載電阻。（5）計算填充因子。3測量太陽能電池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩擋光），我們把太陽能電池在距離白光光源的水平距離接受到的光照強度作為標準光照強度，然后改變太陽能電池到光源的距離，根據(jù)光照強度和距離成反比的原理，計算出各點對應的相對光照強度的數(shù)值。測量太陽能電池在不同相對光照強度時，對應的短路電流和開路電壓的值。（1）描繪短路電流和相對光強度之間的關(guān)系曲線，求短路電流和與相對光照強之間近似函數(shù)表達式。 （2）描繪出開路電壓和相對光照強度之間的關(guān)系曲線，求開路電壓與相對光照強度之間近似函數(shù)表達式?！緦嶒灁?shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)

6、僅供實驗時參考，不作為儀器驗收標準，）1 在全暗的情況下，測量太陽能電池正向偏壓下流過太陽能電池的電流和太陽能電池的輸出電壓 ：測量電路如圖所示，改變電阻箱的阻值，用萬用表量出各種阻值下太陽能電池與電阻箱兩端的電壓，算出電流測量結(jié)果如表所示：表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄50.001.212.9559.01.77145.001.272.8964.21.80840.001.332.8370.81.85035.001.462.7578.61.89530.001.492.6789.01.94925.001.592.57102.82.01220.001.722.44122.02.

7、08615.001.882.27151.32.1808.002.251.91238.82.3785.002.511.64328.02.5162.003.001.16580.02.7631.003.310.84840.02.9240.004.160.001360.03.134 根據(jù)圖可以看到，電流與電壓的指數(shù)關(guān)系得到驗證。如果用直流可調(diào)電源，則可采用下面圖實驗電路：正向偏壓在變化條件下，取 。實驗步驟與表格請同學自擬。2.不加偏壓，在使用遮光罩條件下，保持白光源到太陽能電池距離，測量太陽能電池的輸出電流對太陽能電池的輸出電壓的關(guān)系，測量電路與圖一樣。測量結(jié)果如表所示：表恒定光照下太陽能電池在不加

8、偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄W50.51102.052.0101.02102.0104.0151.51100.7152.0202.04102.0208.1252.53101.2256.0302.9999.7298.0353.50100.0350.0403.9298.0384.2454.4097.8430.2504.6893.6438.0554.9590.0445.5605.0984.8431.8655.2480.6422.4705.3576.4408.9755.3771.6384.5805.4468.0369.9855.4564.1349.4905.5561.7342.3955.5558.4324.

9、21005.5755.7310.21505.6537.7212.82005.7929.0167.65005.8511.768.48005.877.343.110005.885.934.6由圖9得短路電流，開路電壓。太陽能電池在光照時，輸出功率與負載電阻的關(guān)系如圖所示，由圖可得到最大輸出功率：，此時負載電阻，于是得填充因子如下： 。3測量太陽能電池短路電流和開路電壓與相對光照強度 的相對關(guān)系，對于短路電流可以直接用萬用表的電流檔測量，開路電壓可以直接用萬用表的電壓檔測量。把測量結(jié)果記錄在表中：表 太陽能電池短路電流、開路電壓與相對光照強度對應關(guān)系燈與太陽能電池距離相對光照強度500.40022.

10、75.64480.41724.75.69460.43525.85.71440.45527.75.76420.47630.95.80400.50033.25.83380.52635.55.87360.55639.85.91340.58844.25.95320.62548.05.99300.66753.26.02280.71460.96.08260.76969.86.11240.83378.86.13220.90989.56.16201.000101.56.20從圖和圖中找出短路電流、開路電壓與相對光強的近似函數(shù)關(guān)系為： (5) (6)利用最小二乘法擬合，得，相關(guān)系數(shù)；，相關(guān)系數(shù) 。從最小二乘法擬

11、合中，可知對短路電流和開路電壓關(guān)系式（5）式和（6）式成立。參考資料：1賈玉潤、王公治、凌佩玲 大學物理實驗，上海：復旦大學出版社，19862茅傾青、潘立棟、陳駿逸、陸申龍 太陽能電池基本特性測定實驗，物理實驗，第24卷第11期，2004.11實驗二、太陽能電池的應用及相關(guān)電路實驗太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到以上；到年，可再生能源將占總能耗的以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的以上；到21世紀末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到

12、以上，太陽能發(fā)電將占到以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。目前太陽能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點決定了它們在不同應用中擁有不可替代的地位。但是，未來年晶體硅太陽能電池所占份額盡管會因薄膜太陽能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導地位仍不會根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉(zhuǎn)換效率不高、制備薄膜電池所用設(shè)備價格昂貴等問題，會有巨大的發(fā)展空間。1 利用太陽能電池對法拉電容進行充電，模擬光伏電能的產(chǎn)生和儲存過程：實驗步驟如下：（1） 按圖，在九孔板上插上相應元器件，并用導線或短接橋接通電路,如圖1a 。

13、（2） 太陽能電池板和白光光源裝在光具座上，相對距離取。（3） 閉合白光光源電源開關(guān)，閉合開關(guān)讓太陽能電池板產(chǎn)生的電壓對法拉電容充電，充電電流大小由電流表指示。（4） 當電容充電充足后約等于，即相當于一個電池組。可以對外供電。2直流升壓就是將較低的直流電壓（如電池），提升到需要的直流電壓值。其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于電路的一種類型。 在使用電池供電的便攜設(shè)備中，都是通過直流升壓電路獲得電路中所需要的高電壓，這些設(shè)備包括：手機、傳呼機等無線通訊設(shè)備、照相機中的閃光燈、便攜式視頻顯示裝置、電蚊拍等電擊設(shè)備等等。本

14、實驗是將太陽能電池產(chǎn)生的電壓進行升壓，演示實際的升壓系統(tǒng)。實驗步驟如下：（1）在九孔實驗板上按圖2選擇元器件并連接實驗線路如圖2a 。（2）將太陽能電池的輸出電壓作為線路的輸入電壓，閉合開關(guān)，適當調(diào)節(jié),使電壓表顯示輸出電壓值等于。(3) 按圖3線路連接實驗線路,重復以上步驟.。3.用光控的應急電路實驗:參照以上內(nèi)容,自擬實驗步驟。4簡單的光通訊演示實驗：SLXY型太陽能電池特性研究與應用綜合實驗儀使用說明書一、概 述能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然氣等主要能源的大量消耗，能源危機已成為世人關(guān)注的全球性問題。為了經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護，人們正大量開發(fā)其它能源如水能、風能及太陽能的利用。其

15、中以硅太陽能電池作為綠色能源其開發(fā)和利用大有發(fā)展前景。本儀器提供的實驗，意在提高學生對太陽能電池的特性的認識，學習研究太陽能電池的基本光電特性，學會電學與光學的一些重要實驗方法及數(shù)據(jù)處理方法?？捎帽緝x器做下列實驗：1在沒有光照時，太陽能電池作為一個二極器件（類似二極管），測量在正向偏壓時該二極器件的伏安特性曲線，并求出其正向偏壓時，電壓與電流關(guān)系的經(jīng)驗公式。2測量太陽能電池的短路電流、開路電壓、最大輸出功率及填充因子(即)。3測量太陽能電池的短路電流、開路電壓與相對光強的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)表達式。4 太陽能電池的充、放電實驗5 應急本儀器可用于高校、中專、職校基礎(chǔ)物理實驗及設(shè)計性、研究性

16、的物理實驗，也可用于物理奧林匹克競賽培訓用。二、儀器簡介本實驗儀器主要由碘鎢燈白光光源（）、光具座、帶暗盒的太陽能電池、型傳感器專用信號源、黑色有機玻璃遮光罩、電阻箱1只（自備）、數(shù)字式萬用電表1只（自備）、九孔實驗板、各種盒式元器件（附詳細清單）、專用導線等組成三、元器件技術(shù)規(guī)格SLXY型太陽能電池特性研究及應用綜合實驗儀清單序號元器件名稱規(guī)格單位數(shù)量1集成電路MC34063，(64×64元件盒)個12集成電路LM358放大器LM358雙運放，(64×64元件盒)個13電感變壓器(64×64元件盒)個14200H電感器(64×32元件盒)個1591C4

17、電流表0-100mA，(64×64元件盒)個2691C4電壓表0-15V，(64×64元件盒)個27NPN三極管8050，(64×32元件盒)個185發(fā)光紅色高亮發(fā)光管(32×16元件盒)個195白色帶阻高亮發(fā)光管串1k限流電阻，(32×16元件盒)個310多圈電位器10k，（64×32元件盒）個111電位器47k，（64×32元件盒）個112光電三極管3DU5，串1k電阻，(32×6元件盒)個1139.1V穩(wěn)壓塊1N4742， (32×16元件盒）個114肖特基二極管1N5822， (32×1

18、6元件盒)個115二極管1N4007， (32×16元件盒)個216固定電阻器180/0.5W， (32×16元件盒)個117固定電阻器47k/0.5W， (32×16元件盒)個218固定電阻器0.22/2W，(32×16元件盒)個119固定電阻器2.2k/1W，(32×16元件盒)個120固定電阻器20k/1W，(32×16元件盒)個121固定電阻器10k1W， (32×16元件盒)個222固定電阻器103W， (32×16元件盒)個123固定電阻器1k/0.5W，(32×16元件盒)個224固定電阻器203W， (32×16元件盒)個125固定電阻器4.7k/0.5W，(32×16元件盒)個