太陽能電池基本特性測定實驗

太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管,當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。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換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23徽規(guī)模生產時的效率為15%.在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據(jù)主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)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品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規(guī)模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。太陽能的利用和太陽能電池的待性研究是21世紀的熱門課題，許多發(fā)達國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進行研究。我們開設此太陽能電池的特性研究實驗，通過實驗了解太陽能電池的電學性質和光學性質，并對兩種性質進行測量。該實驗作為一個綜合設計性的物理實驗，聯(lián)系科技開發(fā)實際，有一定的新穎性和實用價值?！緦嶒災康摹繜o光照時，測量太陽能電池的伏安特性曲線；有光照時，測量電池在不同負載電阻下，/對〃變化關系，畫出I-U曲線圖；并測量太陽能電池的短路電流么°、開路電SJg、最大輸出功率Sax及填充因子尸尸；測量太陽能電池的短路電流人。、開路電壓與光照度么的關系，求出它們的近似函數(shù)關系?！緦嶒瀮x器】白熾燈源、太陽能電池板、光照度計、電壓表、電流表、滑線變阻器、穩(wěn)壓電源、單刀開關連接導線若干受到二極管內電場的影響而產生光生電動勢這一現(xiàn)象稱為光伏效應。受到二極管內電場的影響而產生光生電動勢這一現(xiàn)象稱為光伏效應?！緦嶒炘怼刻柟庹赵诎雽wp-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由P區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光伏效應太陽能電池的工作原理。在沒有光照時.可將太陽能電池視為一個二極管，其正向偏壓〃與通過的電流/的關系為f竺/=z0嚴-1其中/()是二極管的反向飽和電流，〃是理想二極管參數(shù)，理論值為1°K是玻爾茲曼常量為電子的電荷量，丁為熱力學溫度。(可令8二祈)由半導體理論知，二極管主要是由如圖所示的能隙為耳-Ev的半導體所構成。Ec為半導體導電帶，并產生電子-空穴對。電子-空穴對為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子被半導體所吸收，并產生電子-空穴對。電子-空穴對導電帶(Ec)光子7光子7WWW*能隙空穴價電帶(EJ圖1光伏效應示意圖空穴太陽能電池的基本技術參數(shù)除短路電流/sc和開路電壓Ug外，還有最大輸出功率代和和填充因子FF。最大輸出功率Pn忙也就是/(/的最大值。填充因子FF定義為一7yu眼FF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。FF值越大，說明太陽能電池對光的利用率越高?！緦嶒瀮热菁安襟E】1在沒有光源（全黑）的條件下，測量單晶硅太陽能電池正向偏壓時的I-U特性（直流偏壓從0—3.0U）（1）連接電路圖。圖2I_U特性測量電路（2）利用測得的正向偏壓時I-U關系數(shù)據(jù)，畫出曲線并求出常數(shù)-舄和人的值。在不加偏壓時，用白色光照射，測量多晶硅太陽能電池一些特性。注意此時光源到太陽能電池距離保為（1）連接電路圖。恒定光源滑線變阻器圖3恒定光源太陽能電池特性實驗恒定光源滑線變阻器（2）測量電池在不同負載電阻下，/對U變化關系，畫出1-。曲線圖。（3）求短路電流心和開路電壓”比。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負載電阻。（5）3計算填充因子FF二/J:...測■1!量太陽能電池的光電效應與電光性質改變太陽能電池到光源的距離，用光照度計測呈該處的光照度乙，測量太陽能電池接受到不同光照度么時，相應的人1和口仇的值。（1）設計測量電路圖，并連接。（2）測量太陽能電池接受到不同光照度△時相應的^c和"°C的值。（3）描繪人。和與光照度△之間的關系曲線，求與光照度△之間的近似關系函數(shù)。（4）描繪U理和與光照度△之間的關系曲線，求t/理與光照度△之間的近似關系函數(shù)。【數(shù)據(jù)記錄及處理】全暗情況下（太陽能電池板倒扣在黑橡膠桌面上）太陽能電池在外加偏壓時伏安特性測量：連接電路如圖2,結果填入表1。表1太陽能電池正向偏壓時的1-V特性U(V)456789101112131415161718I(mA)用坐標紙畫出太陽能電池正向偏壓時的i-u特性曲線，并求出常數(shù)“和倡的值I(mA)2在不加偏壓時，把太陽能電池板倒扣在投影儀玻璃面上，緊貼投影儀玻璃面，測量不同負載時太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關系。并測量短路電流么〔和開路電壓U。一計算最大輸出功率和填充因子FF。連接電路如圖3,結果填入表2。

表2不同負載時太陽能電池的輸出電流與太陽能電池的輸出電壓的關系RS5101520253035404550"(v)P(mW)斤(Q)556065707580859095100IM/(mA)P(mW)‘OCpFF二畫出R-P曲線圖，求出Pnuix和對應的太陽能電池「3測疑多晶硅太陽能電池板人(和□理與光照度么的關系。表3太陽能電池板的/肚和”氐與光照度△的關系Lo二(lux)(照度計緊貼投影儀玻璃面)h(lux)05101520253035(lux)Isc(M)Uoc(V)(mA)L(lux)叫(V)L(lux)畫出L-Isc曲線圖及L-Uoc曲線圖.4.把多晶硅太陽能電池板換成單晶硅太陽能電池板，重復3o【實驗報告要求】寫明本實驗的目的、意義。闡明本實驗的基本原理。記下實驗所用儀器和裝置。記錄實驗的全過程，包括實驗步驟，各種實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等。對實驗結果進行分析、研究和討論。本實驗的總結、收獲、體會，也可提出自己新的設想。對教學工作的意見和建議?！咀⒁馐马棥窟B接電路時，保持太陽能電池無光照條件。連接電路時，保持電源開關斷開。打開白幟燈光源時間盡量要短，注意隨時關掉?！舅伎碱}】太陽能電池是由什么材料做成的