實(shí)驗(yàn)十五太陽(yáng)能電池特性研究及應(yīng)用(部分)

1、12級(jí)電科專業(yè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)安排表（2015下半年）內(nèi)容班級(jí)太陽(yáng)能電池特性研究黃瑞強(qiáng)PN結(jié)特性葉會(huì)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(wàn)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(shuō)明：14周3 （上課時(shí)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(shí)間段實(shí)驗(yàn)為4學(xué)時(shí)，下午上課時(shí)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(bào)告每位學(xué)生準(zhǔn)備8張16開(kāi)實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙，8張32開(kāi)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(kāi)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(yáng)能電池特性研究及應(yīng)用太陽(yáng)能的利用和太陽(yáng)能電池特性研究是世紀(jì)新型能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)課題。目前硅太陽(yáng)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(yáng)能汽車、太陽(yáng)能游艇、太陽(yáng)能收音機(jī)、太陽(yáng)能計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能鄉(xiāng)村電站等。太陽(yáng)能是一種清潔、“綠色”能源，因此，世界各國(guó)十分重視對(duì)太陽(yáng)能電池的研究和利用。本實(shí)驗(yàn)的目的主要是探討太陽(yáng)能電池的基本特性，太陽(yáng)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?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?

3、 在沒(méi)有光照時(shí)，太陽(yáng)能電池主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)二極管，測(cè)量該二極管在正向偏壓時(shí)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(cè)量太陽(yáng)能電池在光照時(shí)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(kāi)路電壓()、最大輸出功率及填充因子。填充因子是代表太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。3 測(cè)量太陽(yáng)能電池的光照特性：測(cè)量短路電流和相對(duì)光強(qiáng)度之間關(guān)系，畫出與相對(duì)光強(qiáng)之間的關(guān)系圖；測(cè)量開(kāi)路電壓和相對(duì)光強(qiáng)度之間的關(guān)系，畫出與相對(duì)光強(qiáng)之間的關(guān)系圖?！緦?shí)驗(yàn)原理】太陽(yáng)能電池在沒(méi)有光照時(shí)其特性可視為一個(gè)二極管，在沒(méi)有光照時(shí)其正向偏壓與通過(guò)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(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，光子會(huì)被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)。電子和空穴對(duì)會(huì)分別受到二極管之內(nèi)電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生光電流。假設(shè)太陽(yáng)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(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻與一個(gè)電阻所組成，如圖所示。圖中，為太陽(yáng)能電池在光照時(shí)的等效電源輸出電流，為光照時(shí)通過(guò)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池可簡(jiǎn)化為圖所示電路。這里，。在短路時(shí)，；而在開(kāi)路時(shí)，； （4）（4）式即為在和

5、的情況下，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和短路電流的關(guān)系式。其中為開(kāi)路電壓，為短路電流，而、是常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)裝置】光具座、滑塊支架、具有引出接線的盒裝太陽(yáng)能電池板、數(shù)字萬(wàn)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(gè)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1在無(wú)光源（全黑）的條件下，測(cè)量太陽(yáng)能電池施加正向偏壓時(shí)的特性：（1）按實(shí)驗(yàn)要求畫出測(cè)量的實(shí)驗(yàn)線路圖；（2）根據(jù)正向偏壓時(shí)關(guān)系測(cè)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(cè)量太陽(yáng)能電池光照特性。注意此時(shí)光源到太陽(yáng)能電池距離保持不變。（1）畫出測(cè)量線路圖。（2）測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，

6、對(duì)變化關(guān)系，畫出曲線圖。（3）用外推法求短路電流和開(kāi)路電壓。（4）求太陽(yáng)能電池的最大輸出功率和最大輸出功率時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻。（5）計(jì)算填充因子。3測(cè)量太陽(yáng)能電池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩擋光），我們把太陽(yáng)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(yáng)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(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)光照強(qiáng)度的數(shù)值。測(cè)量太陽(yáng)能電池在不同相對(duì)光照強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的短路電流和開(kāi)路電壓的值。（1）描繪短路電流和相對(duì)光強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求短路電流和與相對(duì)光照強(qiáng)之間近似函數(shù)表達(dá)式。 （2）描繪出開(kāi)路電壓和相對(duì)光照強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，求開(kāi)路電壓與相對(duì)光照

7、強(qiáng)度之間近似函數(shù)表達(dá)式?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考，不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，）1 在全暗的情況下，測(cè)量太陽(yáng)能電池正向偏壓下流過(guò)太陽(yáng)能電池的電流和太陽(yáng)能電池的輸出電壓 ：測(cè)量電路如圖所示，改變電阻箱的阻值，用萬(wàn)用表量出各種阻值下太陽(yáng)能電池與電阻箱兩端的電壓，算出電流測(cè)量結(jié)果如表所示：表1全暗情況下太陽(yáng)能電池在外加偏壓時(shí)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(qǐng)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(yáng)能電池距離，測(cè)量太陽(yáng)能電池的輸出電流對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電壓的關(guān)系，測(cè)量電路與圖一樣。測(cè)量結(jié)果如表所示：表恒定光照下太陽(yáng)能電池在不加偏壓時(shí)伏安特性數(shù)據(jù)記錄51015202530354045505560657075808590951001502005008001000由圖9得短路電流，開(kāi)路電壓。太陽(yáng)能電池在光照時(shí)，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(shí)負(fù)載電阻，于是得填充因子如下： 。3測(cè)量太陽(yáng)能電池短路電流和開(kāi)路電壓與相對(duì)光照強(qiáng)度 的相對(duì)關(guān)系，對(duì)于短路電流可以直接用萬(wàn)用表的電流檔測(cè)量，開(kāi)路電壓可以直接用萬(wàn)

9、用表的電壓檔測(cè)量。把測(cè)量結(jié)果記錄在表中：表 太陽(yáng)能電池短路電流、開(kāi)路電壓與相對(duì)光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系燈與太陽(yáng)能電池距離相對(duì)光照強(qiáng)度50484644424038363432302826242220從圖和圖中找出短路電流、開(kāi)路電壓與相對(duì)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(duì)短路電流和開(kāi)路電壓關(guān)系式（5）式和（6）式成立。參考資料：1賈玉潤(rùn)、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(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)，第24卷第11期，2004.11【太陽(yáng)能電池的應(yīng)用及相關(guān)電路實(shí)

10、驗(yàn)】1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)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(jì)到年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到以上，而太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能發(fā)電將占到以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)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(yáng)能電池市場(chǎng)前景廣闊。目前太陽(yáng)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?cè)诓煌瑧?yīng)用中擁有不可替代的地位。但是，未來(lái)年晶體硅太陽(yáng)能電池所占份額

11、盡管會(huì)因薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導(dǎo)地位仍不會(huì)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(jià)格昂貴等問(wèn)題，會(huì)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(yáng)能電池板和白光光源裝在光具座上，相對(duì)距離取。（3） 閉合白光光源電源開(kāi)關(guān)，閉合開(kāi)關(guān)（4） 調(diào)節(jié)充電電流，讓太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓對(duì)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(gè)電池組?？梢詫?duì)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(guò)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(guò)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(wú)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