精選太陽能電池-大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

1、精選太陽能電池大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)太陽能電池特性的測(cè)量能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題，新能源利用迫在眉睫。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽電池可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽能發(fā)電的本錢下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源本錢上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前開展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)

2、習(xí)太陽能電池的發(fā)電的原理了解太陽電池測(cè)量原理對(duì)太陽電池特性進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子帶負(fù)電向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴帶正電向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移到達(dá)平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴

3、復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，局部電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，假設(shè)將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流。負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱為開路電壓。太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸

4、出的功率是不一樣的。假設(shè)以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為： 1填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.750.8之間。轉(zhuǎn)換效率s定義為： 2Pin為入射到太陽能電池外表的光功率。理論分析及實(shí)驗(yàn)說明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為

5、成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可到達(dá)15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其本錢很困難，為了節(jié)省硅材料，開展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，本錢低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可到達(dá)10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池本錢低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要開展方向之一。 實(shí)驗(yàn)儀器太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置如

6、圖4所示。圖4 太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源：可以輸出08V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓/光強(qiáng)表：通過“測(cè)量轉(zhuǎn)換按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程或“光強(qiáng)量程，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測(cè)量并顯示0200mA的電流，通過“電流量程選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步

7、驟1硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將假設(shè)干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將假設(shè)干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將假設(shè)干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫出單晶硅, 多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測(cè)試原理圖如圖5所示。將待測(cè)的太陽能電池接到測(cè)試儀上

8、的“電壓輸出接口，電阻箱調(diào)至50后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。 圖5 伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.3V記一次電流值。記錄到表1中。 將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。表1 3種太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量電壓V電流(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33.63.9以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏

9、安特性曲線。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。2開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量翻開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。翻開遮光罩。將光強(qiáng)探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測(cè)試儀的“光強(qiáng)輸入接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測(cè)量。 由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離的光強(qiáng)I，將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。 圖6 開路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量示意圖將光強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表狀態(tài)。按圖6A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值光強(qiáng)，記錄開路電壓值于表2中。按圖6B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)

10、據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表2 3種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系距 離101520253035404550光強(qiáng)IW/m2單晶硅開路電壓VOCV短路電流ISCmA多晶硅開路電壓VOCV短路電流ISCmA非晶硅開路電壓VOCV短路電流ISCmA根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線。3太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 圖7 測(cè)量太陽能電池輸出特性 按圖7接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置，分別將三種太陽能電池板安裝

11、到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率PO=VI，填于表3中。表3 3種太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn) 光強(qiáng)I= W/m2單晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓V(V)00.20.40.60.811.21.41.6輸出電流I(A)輸出功率PO(W)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。找出最大功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電阻值即為最正確匹配負(fù)載。由1式計(jì)算填充因子。由2式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=IS1，I為入射到太陽能電池板外