實(shí)驗(yàn)十五太陽能電池特性研究及應(yīng)用(部分)

1、12級電科專業(yè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)安排表（2015下半年）內(nèi)容班級太陽能電池特性研究黃瑞強(qiáng)PN結(jié)特性葉會亮導(dǎo)熱系數(shù)羅 飛二階電路鄒文強(qiáng)電源特性鄒文強(qiáng)聲光電路黃瑞強(qiáng)數(shù)字萬用表劉燕勇光電傳感器劉志勇電科12112周32028周310111周32059周310316周310315周320713周320510周3303電科12213周32029周310112周32058周310315周310316周320714周320511周3303說明：14周3 （上課時間為第14周星期3；上課地點(diǎn)為物理實(shí)驗(yàn)室103教室。）103 每一時間段實(shí)驗(yàn)為4學(xué)時，下午上課時間：14:30-17:30每次實(shí)驗(yàn)上課前需認(rèn)真預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2、并寫好預(yù)習(xí)報告每位學(xué)生準(zhǔn)備8張16開實(shí)驗(yàn)報告紙，8張32開原始記錄紙。講義份數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)？份, 電源特性？份, 聲光電路？份。所開設(shè)實(shí)驗(yàn)的房間管理由各位老師自己承擔(dān)。實(shí)驗(yàn)十五 太陽能電池特性研究及應(yīng)用太陽能的利用和太陽能電池特性研究是世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點(diǎn)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(jī)、太陽能計算機(jī)、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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?

3、 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(yàn)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(qiáng)度之間關(guān)系，畫出與相對光強(qiáng)之間的關(guān)系圖；測量開路電壓和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系，畫出與相對光強(qiáng)之間的關(guān)系圖?！緦?shí)驗(yàn)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(dǎo)體理論，二極管

4、主要是由能隙為的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。為半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，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

5、的情況下，太陽能電池的開路電壓和短路電流的關(guān)系式。其中為開路電壓，為短路電流，而、是常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)裝置】光具座、滑塊支架、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(dǎo)線若干、遮光罩1個?！緦?shí)驗(yàn)內(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(shí)驗(yàn)要求畫出測量的實(shí)驗(yàn)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(fù)載電阻下，

6、對變化關(guān)系，畫出曲線圖。（3）用外推法求短路電流和開路電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率和最大輸出功率時對應(yīng)的負(fù)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(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，然后改變太陽能電池到光源的距離，根據(jù)光照強(qiáng)度和距離成反比的原理，計算出各點(diǎn)對應(yīng)的相對光照強(qiáng)度的數(shù)值。測量太陽能電池在不同相對光照強(qiáng)度時，對應(yīng)的短路電流和開路電壓的值。（1）描繪短路電流和相對光強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求短路電流和與相對光照強(qiáng)之間近似函數(shù)表達(dá)式。 （2）描繪出開路電壓和相對光照強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求開路電壓與相對光照

7、強(qiáng)度之間近似函數(shù)表達(dá)式。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)僅供實(shí)驗(yàn)時參考，不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，）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50.0045.0040.0035.0030.0025.0020.0015.008.005.002.001.000.00根據(jù)圖可以看到，電流與電壓的指數(shù)關(guān)系得到驗(yàn)證。如果用戶有直流可調(diào)電源，則可采用下面圖實(shí)驗(yàn)電路：正向偏壓在變化條件下，取 。實(shí)驗(yàn)步驟與

8、表格請同學(xué)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偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄51015202530354045505560657075808590951001502005008001000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(fù)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(fù)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(qiáng)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

9、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(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系燈與太陽能電池距離相對光照強(qiáng)度50484644424038363432302826242220從圖和圖中找出短路電流、開路電壓與相對光強(qiáng)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)，上海：復(fù)旦大學(xué)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(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)，第24卷第11期，2004.11【太陽能電池的應(yīng)用及相關(guān)電路實(shí)

10、驗(yàn)】1 太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會占據(jù)世界能源消費(fèi)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(yīng)的主體。預(yù)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(yīng)中的占比也將達(dá)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；到世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到以上，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(diǎn)決定了它們在不同應(yīng)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

11、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(dǎo)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） 按圖，在九孔板上插上相應(yīng)元器件，并用導(dǎo)線或短接橋接通電路。（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)（4） 調(diào)節(jié)充電電流，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。（5） 當(dāng)電容充電充足后，即相當(dāng)于一個電池組?？梢詫ν夤╇?。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(yù)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(jī)、傳呼機(jī)等無線通訊設(shè)備、照相機(jī)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