太陽能光伏電池測試及分析

太陽能光伏電池測試及分析HarbinInstituteofTechnology近代光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：太陽能光伏電池測試與分析院系：專業(yè)：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：哈爾濱?業(yè)?學(xué)?、實(shí)驗(yàn)?的1、了解pn結(jié)基本結(jié)構(gòu)和?作原理；2、了解太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)，理解?作原理；3、掌握pn結(jié)的IV特性及IV特性對溫度的依賴關(guān)系；4、掌握太陽能電池基本特性參數(shù)測試原理與?法，理解光源強(qiáng)度、波長、環(huán)境溫度等因素對太陽能電池特性的影響；5、通過分析PN結(jié)、太陽能電池基本特性參數(shù)測試數(shù)據(jù)，進(jìn)?步熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的?法，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間存在差異的原因。?、實(shí)驗(yàn)原理1、光?伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料是?類特殊的材料，從宏觀電學(xué)性質(zhì)上說它們導(dǎo)電能?在導(dǎo)體和絕緣體之間，導(dǎo)電能?隨外界環(huán)境（如溫度、光照等）發(fā)?劇烈的變化。半導(dǎo)體材料具有負(fù)的帶電阻溫度系數(shù)。從材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說，這類材料具有半滿導(dǎo)帶、價(jià)帶和半滿帶隙，溫度、光照等因素可以使價(jià)帶電?躍遷到導(dǎo)帶，改變材料的電學(xué)性質(zhì)。通常情況下，都需要對半導(dǎo)體材料進(jìn)?必要的摻雜處理，調(diào)整它們的電學(xué)特性，以便制作出性能更穩(wěn)定、靈敏度更?、功耗更低的電?器件?；诎雽?dǎo)體材料電?器件的核?結(jié)構(gòu)通常是pn結(jié)，pn結(jié)簡單說就是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的基礎(chǔ)區(qū)域，太陽能電池本質(zhì)上就是pn結(jié)。常見的太陽能電池從結(jié)構(gòu)上說是?種淺結(jié)深、??積的pn結(jié)，如圖1所?，它的?作原理的核?是光?伏特效應(yīng)。光?伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的?種通性。當(dāng)光照射到?塊?均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場的作?，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會產(chǎn)?電動勢。如果構(gòu)成適當(dāng)?shù)幕芈肪蜁a(chǎn)?電流。這種電流叫做光?電流，這種內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)就是光?伏特效應(yīng)。?均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的?個(gè)例?。N型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料接觸形成pn結(jié)。pn結(jié)根據(jù)制備?法、雜質(zhì)在體內(nèi)分布特征等有不同的分類。制備?法有合?法、擴(kuò)散法、?長法、離?注?法等等。雜質(zhì)分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備?法相聯(lián)系的。不同的制備?法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)的基本原理我們知道，處于熱平衡態(tài)的?個(gè)pn結(jié)結(jié)構(gòu)由p區(qū)、n區(qū)和兩者交界區(qū)域構(gòu)成。為了維持統(tǒng)?的費(fèi)?能級，p區(qū)內(nèi)空?向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)內(nèi)空?向p區(qū)擴(kuò)散。這種載流?的運(yùn)動導(dǎo)致原來的電中性條件被破壞，p區(qū)積累了帶有負(fù)電的不可動電離受主，n區(qū)積累了不可能電離施主。載流?擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果導(dǎo)致p區(qū)負(fù)電，n區(qū)帶正電，在界?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(yīng)的空間電荷區(qū)。顯然，兩者費(fèi)?能級的不統(tǒng)?是導(dǎo)致電?空?擴(kuò)散的原因，電?空?擴(kuò)散?導(dǎo)致出現(xiàn)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場。?內(nèi)建電場的強(qiáng)度取決于空間電荷區(qū)的電場強(qiáng)度，內(nèi)建電場具有阻?擴(kuò)散運(yùn)動進(jìn)?步發(fā)?的作?。當(dāng)兩者具有統(tǒng)?費(fèi)?能級后擴(kuò)散運(yùn)動和內(nèi)建電場的作?相等，p區(qū)和n區(qū)兩端產(chǎn)??個(gè)?度為qVD的勢壘。理想pn結(jié)模型下，處于熱平衡的pn結(jié)空間電荷區(qū)沒有載流?，也沒有載流?的產(chǎn)?與復(fù)合作?。如圖2所?，當(dāng)有?射光垂直?射到pn結(jié)，只要pn結(jié)結(jié)深?較淺，?射光?會透過pn結(jié)區(qū)域甚?能深?半導(dǎo)體內(nèi)部。如果如何光?能量滿?關(guān)系gEh≥ν（Eg為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度），那么這些光?會被材料本征吸收，在pn結(jié)中產(chǎn)?電?孔?對。光照條件下材料體內(nèi)產(chǎn)?電?空?對是典型的?平衡載流?光注?作?。光?載流?對p區(qū)空?和n區(qū)電?這樣的多數(shù)載流?的濃度影響是很?的，可以忽略不計(jì)。但是對少數(shù)載流?將產(chǎn)?顯著影響，如p區(qū)電?和n區(qū)空?。在均勻半導(dǎo)體中光照射下也會產(chǎn)?電?空?對，它們很快?會通過各種復(fù)合機(jī)制復(fù)合。在pn結(jié)中情況有所不同，主要原因是存在內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的驅(qū)動下p區(qū)光?少?電?向n區(qū)運(yùn)動，n區(qū)光?少?空?向p區(qū)運(yùn)動。這種作?有兩??的體現(xiàn)，第?是光?少?在內(nèi)建電場驅(qū)動下定向運(yùn)動產(chǎn)?電流，這就是光?電流，它由電?電流和空?電流組成，?向都是由n區(qū)指向p區(qū)，與內(nèi)建電場?向?致；第?，光?少?的定向運(yùn)動與擴(kuò)散運(yùn)動?向相反，減弱了擴(kuò)散運(yùn)動的強(qiáng)度，pn結(jié)勢壘?度降低，甚?會完全消失。宏觀的效果是在pn結(jié)兩端產(chǎn)?電動勢，也就是光?電動勢。上述的分析我們發(fā)現(xiàn)光照射pn結(jié)會使得pn結(jié)勢壘?度降低甚?消失，這個(gè)作?完全等價(jià)于在pn結(jié)兩端施加正向電壓。這種情況下的pn結(jié)就是?個(gè)光電池。開路下pn結(jié)兩端的電壓叫做開路電壓Voc，閉路下這種pn結(jié)等價(jià)于?個(gè)電源，對應(yīng)的電流Isc稱為閉路電流。光?伏特效應(yīng)是太陽能電池的核?原理，它的機(jī)制就是光能轉(zhuǎn)化為電能，開路電壓和閉路電流是兩個(gè)基本的參數(shù)。圖2中EC為半導(dǎo)體電帶，EV為半導(dǎo)體價(jià)電帶。2、太陽能電池?光照情況下的電流電壓關(guān)系－（暗特性）太陽能電池是依據(jù)光?伏特效應(yīng)把太陽能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。如果沒有光照，太陽能電池等價(jià)于?個(gè)pn結(jié)。通常把?光照情況下太陽能電池的電流電壓特性叫做暗特性。簡單的處理?式是把?光照情況下的太陽能電池等價(jià)于?個(gè)理想pn結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊?程：]1)[exp(0-=TkeVIIs其中)(00pnpnpnssLpeDLneDAAJI+==為反向飽和電流。A、D、n、p和L分別為結(jié)?積、擴(kuò)散系數(shù)、平衡電?濃度、平衡空?濃度和擴(kuò)散長度。根據(jù)肖克萊?程不難發(fā)現(xiàn)正向、反向電壓下，暗條件太陽能電池IV曲線不對稱，這就是pn結(jié)的單向?qū)ㄐ曰蛘哒f整流特性。對于確定的太陽能電池，其摻雜雜質(zhì)種類、摻雜計(jì)量、器件結(jié)構(gòu)都是確定的，對電流電壓特性具有影響的因素是溫度。溫度對半導(dǎo)體器件的影響是這類器件的通性。根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，溫度對擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散長度、載流?濃度都有影響，綜合考慮，反向飽和電流為：)exp(~)(02322/1TkETNnDeJgAinns-≈+γτ由此可見隨著溫度升?，反向飽和電流隨著指數(shù)因?)exp(0TkEg-迅速增?。且?guī)对綄挼陌雽?dǎo)體材料，這種變化越劇烈。半導(dǎo)體材料禁帶寬度是溫度的函數(shù)TEEggβ+=)0(，其中)0(gE為絕對零度時(shí)候的帶隙寬度。設(shè)有0)0(ggeVE=，Vg0是絕對零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱莶?。由此可以得到含有溫度參?shù)的正向電流電壓關(guān)系為：])(exp[0023TkVVeTAJIg-∝=+γ顯然正向電流在確定外加電壓下也是隨著溫度升??增?的。3、太陽能電池光照情況下的電流電壓關(guān)系（光特性）光?少?在內(nèi)建電場驅(qū)動下定向的運(yùn)動在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)?了n區(qū)指向p區(qū)的光?電流IL，光?電動勢等價(jià)于加載在pn結(jié)上的正向電壓V，它使得PN結(jié)勢壘?度降低qVD－qV。開路情況下光?電流與正向電流相等時(shí)，pn結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢差VOC，這就是太陽能電池的開路電壓Voc。如圖3所?，在閉路情況下，光照作?下會有電流流過pn結(jié)，顯然pn結(jié)相當(dāng)于?個(gè)電源。光電流IL在負(fù)載上產(chǎn)?電壓降，這個(gè)電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3所?，正偏電壓產(chǎn)?正偏電流IF。在反偏情況下，pn結(jié)電流為)]1[exp(0--=-=TkeVIIIIISLFL隨著?極管正偏，空間電荷區(qū)的電場變?nèi)?，但是不可能變?yōu)榱慊蛘叻雌９怆娏骺偸欠聪螂娏?，因此太陽能電池的電流總是反向的。根?jù)圖3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?是負(fù)載電阻RL＝0，這種情況下加載在負(fù)載電阻上的電壓也為零，pn結(jié)處于短路狀態(tài)，此時(shí)光電池輸出電流我們稱為短路電流或者閉路電流Isc。I=ISC=IL其?是負(fù)載電阻∞→LR，外電路處于開路狀態(tài)。流過負(fù)載電阻電流為零，根據(jù)等效電路圖3，光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓Voc就是所謂的開路電壓。顯然有)]1[exp(00--==TkeVIIISL得到開路電路電壓VOC為)1ln(0SLOCIIeTkV+=開路電壓Voc和閉路電路Isc是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過確定穩(wěn)定光照下太陽能電池IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照強(qiáng)度增?，確定太陽能電池的閉路電流和開路電壓都會增?。但是隨光強(qiáng)變化的規(guī)律不同，閉路電路Isc正?于?射光強(qiáng)度，開路電壓Voc隨著?射光強(qiáng)度對數(shù)式增?。從半導(dǎo)體物理基本理論不難得到這個(gè)結(jié)論。此外，從太陽能電池的?作原理考慮，開路電壓Voc不會隨著?射光強(qiáng)度增???限增?的，它的最?值是使得pn結(jié)勢壘為零時(shí)的電壓值。換句話說太陽能電池的最?光?電壓為pn結(jié)的勢壘?度VD，是?個(gè)與材料帶隙、摻雜?平等有關(guān)的值。實(shí)際情況下最?開路電壓值與材料的帶隙寬度相當(dāng)。4、太陽能電池的效率太陽能電池從本質(zhì)上說?個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱?學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過程都存在效率問題，實(shí)際發(fā)?的能量轉(zhuǎn)化過程效率不可能是100％。就太陽能電池??，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提?太陽能電池的效率，最終我們期望太陽光電池具有?夠?的效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率η定義為輸出電能Pm和?射光能Pin的?值：%100%100?=?=inmminmpVIppη其中mmVI在I－V關(guān)系中構(gòu)成?個(gè)矩形，叫做最?功率矩形。如圖4光特性I－V曲線與電流、電壓軸交點(diǎn)分別是閉路電流和開路電壓。最?功率矩形取值點(diǎn)pm的物理含義是太陽能電池最?輸出功率點(diǎn)，數(shù)學(xué)上是I－V曲線上坐標(biāo)相乘的最?值點(diǎn)。閉路電流和開路電壓也?然構(gòu)成?個(gè)矩形，?積為IscVoc，定義ocscmmVIVI為占空系數(shù)，圖形中它是兩個(gè)矩形?積的?值。占空系數(shù)反映了太陽能電池可實(shí)現(xiàn)功率的度量，通常的占空系數(shù)在0.7～0.8之間。太陽能電池本質(zhì)上是?個(gè)pn結(jié)，因?具有?個(gè)確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量?于禁帶寬度的?射光?才有可能激發(fā)光?載流?并繼?發(fā)?光電轉(zhuǎn)化。因此，?射到太陽能電池的太陽光只有光?能量?于禁帶寬度的部分才會實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。Si太陽能電池的最?效率?致是28％左右。對太陽能電池效率有影響的還有其它很多因素，如??對太陽光的吸收、表?保護(hù)涂層的吸收、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。綜合考慮起來，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率?致在10％～15％之間。為了提?單位?積的太陽能電池電輸出功率，可能采取的辦法中通過光學(xué)透鏡集中太陽光是有效的。太陽光強(qiáng)度可以提??百倍，閉路電流線性增?，開路電流指數(shù)式增?。不過具體的理論分析發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的效率隨著光照強(qiáng)度增?是不是急劇增?的，?是有輕微增?。但是考慮到透鏡價(jià)格相對于太陽能電池低廉，因?yàn)橥哥R集中也是?個(gè)有優(yōu)勢的技術(shù)選擇。圖5實(shí)測太陽能電池暗特性曲線圖5給出了對某種商?太陽能電池板室溫下（25℃）實(shí)際測量得到的暗特性I－V曲線。圖6實(shí)測太陽能電池光特性曲線圖6是對某種商?太陽能電池板室溫下（25℃）、150W氙燈光源直接照射下得到的光特性I－V曲線、功率曲線和最?功率矩形?意圖。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備采?整體箱式布局，所有元件都集中在?個(gè)箱體中，?外在分離結(jié)構(gòu)。包括光源與太陽能電池、光路和外電路三個(gè)部分。1、光源與太陽能電池部分采??壓氙燈光源，?壓氙燈具有與太陽光相近的光譜分布特征。光源標(biāo)稱功率750W。2、光路部分本設(shè)備光路簡潔，有光源、濾??、光強(qiáng)探測器構(gòu)成。濾???于研究近似單?光作?下太陽能的光譜響應(yīng)特性。光強(qiáng)探測器標(biāo)定?射光強(qiáng)度。3、外電路外電路包括光源驅(qū)動電路、溫度控制電路和測試分析電路三部分。光源驅(qū)動電路?于氙燈的點(diǎn)燃和軸流風(fēng)冷。溫控電路?于太陽能電池?的溫度控制，加熱采?電阻絲加熱，冷卻采?兩級半導(dǎo)體冷堆?式?？稍?0℃~150℃范圍內(nèi)對樣品進(jìn)?特性測量。測試分析電路提供測試分析儀表的?作電壓。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、太陽能電池暗特性測試暗特性測試不需要開啟光源。測試反偏電壓V下通過太陽能電池的電流I；測試正向偏壓下通過太陽能電池的電流I。匯總測試數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排測量不同溫度下的特性曲線。根據(jù)理想pn結(jié)電流電壓?程對正偏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)?擬和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：匯總正向偏壓數(shù)據(jù)形成的I-V特性曲線如下圖：取特性曲線上兩點(diǎn)（3000，20000），（3300，60000）由]1)[exp(0-=TkeVIIs，其中eTk0為常數(shù)，可得eTk0=273mV，IS=0.34μA，即擬合函數(shù)為]1)273[exp(34.0-=VIs2、太陽能電池光照特性測試（1）不加載濾??、光強(qiáng)度最?條件下通過改變負(fù)載電阻來測試太陽能電池I－V特性曲線，匯總數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線，然后根據(jù)特性曲線求解出開路電壓Voc、閉路電流Isc；（2）不加載濾??，在兩種不同光強(qiáng)下測量I－V特性，得到不同光強(qiáng)下的I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)；（3）最?光強(qiáng)下，加載不同濾??，測量I－V特性，得到不同單?光照情況下的I－V特性曲線、開路電壓、閉路電路數(shù)據(jù)；（4）不同溫度下的重復(fù)（1）得到不同溫度下I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)。對?光強(qiáng)度、濾??、溫度對太陽能電池的I－V特性的影響，根據(jù)I－V曲線計(jì)算出不同測量參數(shù)下的最?功率矩形的值，進(jìn)?計(jì)算出占空系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1.不加載濾??，06檔光強(qiáng)（最?光強(qiáng)度）下得到的特性曲線如下圖：可以求出，開路電壓VOC=2680mV，短路電流ISC=55000μA。Vm=2000mV，Im=48300μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.662.不加載濾??，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2580mV，短路電流ISC=28500μA。Vm=2050mV，Im=26000μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.72。3.加載710nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2330mV，短路電流ISC=2200μA。Vm=1780mV，Im=1980μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.694.加載710nm濾??，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2270mV，短路電流ISC=1100μA。Vm=1700mV，Im=960μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.655.加載770nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2180mV，短路電流ISC=725μA。Vm=1620mV，Im=600μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.616.加載770nm濾??，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2000mV，短路電流ISC=378μA。Vm=1500mV，Im=293μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.587.加載900nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2020mV，短路電流ISC=378μA。Vm=1590mV，Im=293μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.618.加載1035nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2350mV，短路電流ISC=1770μA。Vm=1830mV，Im=1530μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.679.加載660nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2500mV，短路電流ISC=3620μA。Vm=2000mV，Im=3160μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.7010.加載570nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2310mV，短路電流ISC=1730μA。Vm=1820mV，Im=1480μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.6711.加載490nm濾??，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2180mV，短路電流ISC=845μA。Vm=1660mV，Im=695μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.6312.光強(qiáng)度、濾??、溫度對太陽能電池的I－V特性的影響光強(qiáng)度增強(qiáng)，太陽能電池的開路電壓和短路電流均相應(yīng)增強(qiáng)，但電壓變化幅度較?，呈對數(shù)式變化，?電流與光強(qiáng)變化成正?。濾??使太陽能電池的開路電壓和短路電流都減?，對電壓影響較?，對電流影響很?。不同波長的濾波?對應(yīng)的短路電流不同。隨著溫度的上升，短路電流上升，開路電壓減少，轉(zhuǎn)換效率降低。3、不同基材（多晶、?晶、單晶）太陽能電池特性對?研究轉(zhuǎn)換效率，單晶硅太陽能電池＞多晶硅太陽能電池＞?晶硅太陽能電池。五、問題1、太陽能電池的?作原理是什么？答：太陽能電池是?種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電?