精選太陽能電池探究亮特性光照強度關(guān)系

1、精選太陽能電池探究亮特性光照強度關(guān)系揚州大學物理科學與技術(shù)學院大學物理綜合實驗訓練論文實驗名稱：太陽能電池探究亮特性光照強度關(guān)系班級：物教1201班姓名：鄭清華學號：120801117指導老師：李俊來太陽能電池探究亮特性光照強度關(guān)系物教1201 鄭清華 指導老師：李俊來摘要：本文介紹了太陽能電池研究背景、實驗原理等。在不同光強條件對單晶硅太陽電尺進行了測試.研究發(fā)現(xiàn),當光強為3433.5610617.33W/時,開路電壓隨著光強的增加呈對數(shù)關(guān)系增加,短路電流幾乎呈線性變化。效率隨著光強的增加先增加后減小,最大效率值1、21%。填充因子隨著光強的增加減小。關(guān)鍵詞：太陽能電池;輸出特性；光強特性。

2、一 、研究背景 隨著經(jīng)濟社會的不斷開展，能量與能源問題的重要性日益凸顯。人類對能源的需求，隨著社會經(jīng)濟而急劇膨脹，專家估計目前每年能源總消耗量為200億噸標準煤，并且其中90%左右為不可再生的化石能源來維持。就目前情況，全球化石能源儲藏只能維持100年左右。太陽能以其清潔、長久、無害等優(yōu)點自然而然成為人類可持續(xù)開展不得不考慮的能源方式。太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達31024焦耳，而地球上人類一年的能源總需求到達約4.3631020焦耳，也就是說，如果我們可以收集其中的萬分之一到萬分之二就足夠我們的需求。太陽能是最為清潔的能源，并且不受任何地域限制，隨處可取。此外，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能后，

3、電能又是應用范圍最廣，輸送最方便的一種能源。太陽能一般指太陽光的輻射能量。我們知道在太陽內(nèi)部無時無刻不在進行著氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹さ臒岷朔错?，反響過程中伴隨著巨大的能量釋放到宇宙空間。太陽釋放到宇宙空間的所有能量都屬于太陽能的范疇。太陽能電池是目前太陽能利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，核心概念是pn結(jié)和光生伏特效應晶體硅太陽電池在如今的光伏市場中占據(jù)了絕對主導的地位,而且這一地位在今后很長一段時間內(nèi)不會改變,因此提高晶體硅太陽電池效率,降低生產(chǎn)本錢,使晶體硅太陽電池能與常規(guī)能源進行競爭成為現(xiàn)今光伏時代的主題.太陽能是最具開展?jié)摿Φ男履茉?。光伏發(fā)電是解決能源危機，實現(xiàn)能源可持續(xù)開展的重要途徑之一。硅太陽能電池是當今市場的

4、主流產(chǎn)品，其最高效率是24.7%，由新南威爾士大學馬丁格林教授研制的PERL單晶硅電池取得單并保持至今。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)換效率十分困難，但電池的效率會隨溫度和光強變化而變化。因此，研究溫度和光強對太陽能電池的影響是必要的。 二、太陽能光伏電池實驗實驗目的1.了解pn結(jié)的根本結(jié)構(gòu)與工作原理。2.了解太陽能電池組件的根本結(jié)構(gòu)，理解其工作原理。3.掌握pn結(jié)的I-V特性整流特性及其對溫度的依賴關(guān)系。4.掌握太陽能電池根本特性參數(shù)測試原理與測試方法，理解波長因素對太陽能電池輸出特性的影響。5.通過分析太陽能電池根本特性參數(shù)測試數(shù)據(jù)，進一步熟悉實驗數(shù)據(jù)分析與處理的方法，分析實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間存在差異的原因。

5、二實驗原理 太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic，photo 光線，voltaics 電力，縮寫為PV)，簡稱光伏。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池那么還處于萌芽階段。 1.pn結(jié)與光生伏特效應 半導體材料是一類特殊的材料。從宏觀電學性質(zhì)上說，它們的導電能力介于導體和絕緣體之間，隨外界環(huán)境如溫度、光照等發(fā)生劇烈的變化。從材料能帶結(jié)構(gòu)說，這類材料具有導帶Ec、價帶Ev和禁帶Eg。溫度、光照等因素可以使價帶墊子躍遷到導帶，改變材料的電學性質(zhì)

6、。半導體材料進行有必要的摻雜處理，調(diào)整它們的電學特性，以便制作出性能更穩(wěn)定、靈敏度更高、功耗更低的電子器件?；诎雽w材料電子器件的賀信結(jié)構(gòu)通常是pn結(jié)，簡單地說，pn結(jié)就是p型半導體和n型半導體接觸形成的根底區(qū)域。太陽能電池，本質(zhì)上就是pn結(jié)。 圖1 pn結(jié)形成 上圖為剛接觸時，以下圖為到達平衡情況n型半導體是在4價硅中摻入5價雜志，雜技原子與相鄰原子組成共價鍵后，尚多余一個電子，故電子為多數(shù)載流子，5價原子稱為施主雜質(zhì)。雜志原子差不多都是電離的，施主雜技電離后因失去一個電子二成為正離子。P型半導體是在4價硅中摻入3價雜質(zhì)，雜技原子與相鄰原子組成共價鍵，尚缺少一個電子，故空穴為多數(shù)載流子，3

7、價原子稱為受主雜質(zhì)。雜志原子差不多都是電離的，受主雜技電離后因得到一個電子而成為負離子。根據(jù)半導體根本理論，處于熱平衡態(tài)的pn結(jié)由P區(qū)、n區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成，如圖1所示。剛接觸時，電子由費米能級低的地方流動，空穴那么相反。為了維持統(tǒng)一的費米能級，n區(qū)電子向P區(qū)擴散，P區(qū)內(nèi)空穴向n區(qū)擴散。載流子的定向運動導致原來的電中性條件被破壞，p區(qū)累計帶負電且不可移動的電離受主，n區(qū)積累帶正電且不可移動的電離施主。載流子擴散運動導致在界面附近區(qū)域形成由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場和相應的空間電荷區(qū)。顯然，兩者費米能級的不統(tǒng)一是導致電子空穴擴散的原因，電子空穴擴散又導致出現(xiàn)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場。而內(nèi)建電場的強度取

8、決于空間電荷區(qū)的強度，內(nèi)見電場具有組織擴散運動進一步發(fā)生的作用。當兩者具有統(tǒng)一費米能級后擴散運動和內(nèi)建電場的作用相等，p區(qū)和n區(qū)兩端產(chǎn)生一個高度為的勢壘如圖2a,(是n區(qū)高出p區(qū)的電位，即電位梯度，是能量梯度，稱為勢壘)。理想pn結(jié)模型如下，處于熱平衡的pn結(jié)空間電荷區(qū)沒有載流子，也沒有載流子的產(chǎn)生與復合作用。當有入射光垂直入射到pn結(jié)，只要pn結(jié)結(jié)深比較淺，入射光子會透過pn結(jié)區(qū)域甚至能深入半導體內(nèi)部。如果入射光子能量滿足關(guān)系hvEg(Eg為半導體材料的禁帶寬度)，那么這些光子會被材料吸收，在pn結(jié)中產(chǎn)生電子空穴對。光照條件下材料體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對是典型的非平衡載流子光注入作用。光生載流子在

9、p區(qū)空穴和n區(qū)電子這樣的多數(shù)載流子的濃度影響是很小的，可以忽略不計。但是對少數(shù)載流子將興盛顯著影響，如p區(qū)電子和n區(qū)空穴。在均勻半導體中光照射下也會產(chǎn)生電子空穴對，但它們很快就又會通過各種復合機制復合。態(tài)pn結(jié)中情況有所不同，主要原因是存在內(nèi)建電場。在內(nèi)建電場的驅(qū)動下p區(qū)光生少子電子向n區(qū)運動，n區(qū)光生少子空穴向p區(qū)運動。這種作用有兩方面的表達：第一是光生少子在內(nèi)建電場驅(qū)動下定向運動產(chǎn)生電流，這就是光生電流，它由電子電流和空穴電流組成，方向都是有n區(qū)指向p區(qū)，與內(nèi)建電場方向一致；第二，光生少子的定向運動與擴散運動方向相反，減弱了擴散運動的強度，pn結(jié)勢壘高度降低，甚至會完全消失如圖2b。宏觀的

10、效果實在pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢，也就是光生電動勢。光生伏特小勇即是指半導體在受到光照時在向光面和背光面之間產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。如果構(gòu)成回路就會產(chǎn)生電流，這種電流叫做光生電流。從結(jié)構(gòu)上說，常見的太陽能電池是一種淺結(jié)深、大面積的pn結(jié)如圖3。太陽能電池之所以能夠完成光電轉(zhuǎn)換過程，核心物理效應是光生伏特效應。光照會使得pn結(jié)勢壘高度降低甚至消失，這個作用完全等價于在pn結(jié)兩端施加正向電壓。在這種情況下的pn結(jié)就是一個光電池。將多個太陽能電池通過一定的方式進行串并聯(lián)，并封裝好就形成了能防風雨的太陽能電池組件如圖4，圖中EVA是ethylene vinyl acetate copolymer的縮寫，中文是乙

11、烯醋酸乙烯共聚物，PVF是polu vinyl fluoride的縮寫，中文是聚氟乙烯。太陽能電池光照時的電流電壓關(guān)系亮特性太陽能電池的亮特性是指太陽能電池在光照的條件下輸出伏安特性。硅太陽能電池的性能參數(shù)主要有：開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pm、轉(zhuǎn)換效率和填充因子FF。光生少子在內(nèi)建電場驅(qū)動下的定向運動在pn結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了n區(qū)指向p區(qū)的光生電流IL，光生電動勢等價于加載在pn結(jié)上的正向電壓V，它使得pn結(jié)勢壘高度降至qVD-V。理想情況下太陽能電池負載等效電路如以下圖，把光照下的pn結(jié)看作一個理想的二極管和恒流源并聯(lián)。恒流源的電流即為光生電流IL，IF為通過二極管的結(jié)電流，RL

12、為外加負載?？梢?，太陽能電池就相當于一個電源。該等效電路的物理意義是：太陽能電池光照后產(chǎn)生一定的光電流IL，其中一局部用來抵消結(jié)電流IF，另一局部供給負載的電流I。有等效電路圖可知： (4) 光生電流在光電池內(nèi)部總是由N區(qū)向P區(qū)反向流動，因此太陽能電池的電流總是反向的。根據(jù)上面的等效電路圖，有兩種極端情況是在太陽能電池光特性分析中必須考慮的。其一是負載電阻RL=0，這種情況下加載在負載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路狀態(tài)，此時光電池輸出電流我們稱之為短路電流Isc: (5)其二是負載電阻RL，外電路處于開路狀態(tài)。流過負載的電流為零，根據(jù)等效電路圖，光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓V

13、oc就是所謂的開路電壓。顯然有 6得到開路電壓Voc為： (7)開路電壓Voc和短路電流Isc是光電池的兩個重要參數(shù)，實驗中這兩個參數(shù)分別為穩(wěn)定光照下太陽能電池I-V特性曲線與電壓、電流軸的截距。不難理解，隨著光照強度E增大，太陽能電池的短路電流和開路電壓都會增大，但是隨光強變化的規(guī)律不同：根據(jù)半導體物理根本理論，短路電流Isc正比于入射光強度，開路電壓Voc隨著入射光強度對數(shù)增大。此外，從太陽能電池的工作原理考慮，開路電壓Voc不會隨著入射光強度增大而無限增大，它的最大值是使得pn結(jié)勢壘高度為零時的電壓值。換句話說，太陽能電池的最大光生電壓為pn結(jié)的勢壘對應的電勢差VD，是一個材料帶隙、摻雜

14、水平等有關(guān)的值。實際情況下，開路電壓值Voc與Eg/q相當。太陽能電池從本質(zhì)上說是一個能量轉(zhuǎn)換器件，它把光能轉(zhuǎn)換為電能。因此討論太陽能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)換過程都存在效率問題，實際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換效率不可能是100%。就太陽能電池而言，我們需要知道的是，轉(zhuǎn)換效率與哪些因素有關(guān)以及如何提高太陽能電池的 轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為最大輸出功率Pm和入射光的總功率Pin的比值：(8)其中，Im、Vm為最大功率點對應的工作電流、工作電壓，Ee為由光探頭測得的光強度單位：W/m2,S為太陽能電池片受光照射的面積有效光照面積。圖5為太陽能電池的輸出伏安特性

15、曲線，其中Im、Vm在I-V關(guān)系中構(gòu)成一個矩形，叫做最大功率矩形。曲線與電流、電壓軸交點分別是短路電流和開路電壓。最大功率矩形取值點Pm的物理含義是太陽能電池最大輸出功率點，數(shù)學上是I-V曲線上橫、縱坐標乘積的最大值點。短路電流和開路電壓也形成一個矩形，面積為IscVoc。定義：為填充因子，圖形中它是兩個矩形面積的比值。填充因子反響了太陽能電池么實現(xiàn)功率的度量，通常德填充因子在0.50.8之間。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是它的最重要的參數(shù)。太陽能電池本質(zhì)上是一個pn結(jié)，因而具有一個確定的禁帶寬度。只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因此入射到太陽能電池的太陽光只有

16、光子能量高于禁帶寬度的局部才會實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。太陽能電池效率損失的原因主要有：電池說明反射、電子和空穴在光敏感層之外由于重組而造成的損失，以及光敏層的厚度不夠等因素。綜合來看，單晶硅太陽能電池的最大量子效率的理論值大約是40%。實際上，大規(guī)模生產(chǎn)的太陽能電池的效率還達不到理論極限的一半，只有百分之十幾。實驗設備 本儀器定位于探究性實驗系統(tǒng)，除可以測量配套的樣件以外，實驗者還可以利用本系統(tǒng)測量其自制電池片組件。系統(tǒng)主要包括：氙燈電源、光源、測試、配套軟件、USB通信線、電池片組和濾光片組。一起組成：測試主機、氙燈電源、氙燈光源、濾光片組和電池片組。實驗操作和顯示由計算機軟件來完成。整機圖片圖8和

17、儀器構(gòu)成示意圖圖9如下：1.光路局部本設備光路簡潔，由氙燈光源、凸透鏡、濾光片構(gòu)成。2.測試主機1面板介紹：見以下圖10緊急停機按鈕：直接按下為關(guān)，順時針旋轉(zhuǎn)自動歸位關(guān)機按鈕：正常關(guān)機按鈕開機按鈕：正常開機按鈕PC接口：與計算機通信的USB接口光源同信接口：與氙燈電源通信，接收氙燈光源的狀態(tài)信息暫未使用故障指示燈：紅色閃爍表示有故障，綠色表示工作正常工作狀態(tài)指示燈：紅色閃爍表示腔內(nèi)溫度調(diào)整中，綠色表示未進行溫度調(diào)整電源指示燈：紅色閃爍表示關(guān)機中，紅色表示工作正常。2電路局部電路局部包括溫度控制電路和測試電路兩個局部。溫控電路用于太陽能電池片所在的控溫室的溫度控制，在一定范圍內(nèi)，可使控溫室到達指

18、定溫度。測試電路用于太陽能電池片各性能的數(shù)據(jù)，該電路將測得的數(shù)據(jù)傳送給計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)的處理和顯示。3控溫室給太陽能電池片提供一個-1040攝氏度的恒溫測試環(huán)境。3.氙燈電源與氙燈光源1氙燈電源：氙燈電源用于氙燈的點燃、軸流風冷以及光源腔體內(nèi)除濕。面板介紹：見以下圖11緊急停機按鈕：直接按下為關(guān)，順時針選轉(zhuǎn)自動歸位關(guān)機按鈕開機按鈕光源通信接口：與測試主機通信，傳送氙燈光源的狀態(tài)信息暫未使用光強選擇檔位：從1檔到6檔光強逐漸增大故障指示燈：紅色閃爍表示有故障，綠色表示儀器工作正常、工作狀態(tài)指示燈：紅色閃爍表示腔內(nèi)溫度調(diào)整中，綠色表示未進行溫度調(diào)整。 電源指示燈：紅色閃爍表示關(guān)機中，紅色表

19、示正常工作。2氙燈光源采用高壓氙燈光源，高壓氙燈具有太陽光相近的光譜分布特征。光源功率750W，出射光孔徑為50nm；氙燈啟動過程中有3分鐘的腔體除濕，防止因空氣濕度過大氙燈不能正常啟動。啟動過程中，光強檔位必須放置在第6檔才能啟動，假設光強檔位選擇不是第6檔，會出現(xiàn)短促的報警聲，此時只需把光強檔位調(diào)整到第六檔即可正常啟動。實驗時氙燈點亮后約30分鐘穩(wěn)定后再使用。4.濾光片組濾色片用于研究近似單色光作用下太陽能電池的光譜響應特性。濾光片共8種，中心波長分別為395nm、490nm、570nm、660nm、710nm、770nm、900nm、1035nm。5.太陽能電池片組1太陽能電池片組包括單

20、晶硅、多晶硅和非晶硅，均采用普通商用硅太陽能電池片。本實驗室在用的各組件的有效受光面積有30mm30mm和28mm25mm兩種。2在光照特性實驗中，光強探測器用于測定入射光強度，已通過標準光功率計進行標準；在光譜特性實驗中，光強探測器的光譜曲線是的。本實驗室在用的光強探測器的有效受光面積有5.7mm5.7mm和2.5mm3.0mm兩種。四實驗內(nèi)容與步驟1.內(nèi)容： 溫度控制在25，測量不同光強檔位下太陽能電池片的I-V、P-V輸出特性；研究開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)換效率隨光強如何變化。實驗步驟：1氙燈光源置于1檔位，測量單晶硅電池片在全光譜照射下的I-V、P-V輸出特性，記錄開路電壓、短

21、路電流和最大輸出功率，計算填充因子。 2依次調(diào)節(jié)檔位26檔，重復以上步驟。繪制單晶硅在不同光強下的I-V、P-V曲線，試說明隨著光強的變化，其輸出特性如何變化？為什么？ 根據(jù)各光強Ee下得到的單晶硅電池片的開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pm、轉(zhuǎn)換效率和填充因子FF。繪制Voc-Ee、Isc-Ee、Pm-Ee、-Ee、FF-Ee關(guān)系曲線。試說明這些參數(shù)與光強之間的關(guān)系。五本卷須知1.氙燈光源1機箱內(nèi)有高壓，非專業(yè)人員請勿翻開，否那么易造成觸電危險。2機箱外表溫度較高 ，請勿觸摸，防止燙傷。3請勿遮擋機箱上下進出風口，否那么可能造成儀器損壞。4氙燈工作時，請勿直視氙燈，防止傷害眼睛。

22、5眼睛向機箱內(nèi)丟雜物。6為保證使用平安，三芯電源線需可靠接地。7儀器在不用時請與外電網(wǎng)相連的插頭拔下。2.氙燈電源1為保證使用平安，三芯電源線需可靠接地。2儀器在不用時請與外電網(wǎng)相連的插頭拔下。3氙燈啟動時氙燈光強選擇旋鈕必須放到第6檔，否那么可能無法電亮氙燈。4關(guān)機時，按下關(guān)機按鈕15秒內(nèi)氙燈未熄滅，說明儀器出現(xiàn)故障，應按下緊急開關(guān)按鈕。3.測試主機1風扇在高速旋轉(zhuǎn)時，嚴禁向內(nèi)丟棄雜物。2實驗時請關(guān)閉頂蓋，關(guān)閉頂蓋是應注意平安，不要夾到手指。3為保證使用平安，三芯電源線需可靠接地。4請勿遮擋機箱風扇進出風口，否那么可能造成儀器損壞。5一起在不用時請將與外電網(wǎng)相連的插頭拔下。6溫控開啟后，假設發(fā)現(xiàn)制冷腔散熱器風扇未轉(zhuǎn)應按下緊急開關(guān)按鈕，待修。4.實驗配件1太陽能電池板組件為易損部件，應防止擠壓的跌落。2光學鏡頭要注意防塵，注意不要刮傷外表。使用完畢后，應包裝好置于鏡頭盒內(nèi)。濾光片在強光下連續(xù)工作應小于30分鐘，否那么將損壞濾光片。六實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理1.不同檔位的開路電壓、短路電流和最大輸出功率。計算得不同檔位的填充因子和轉(zhuǎn)換效率繪制單晶硅在不同光強下的I-V、