大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-太陽(yáng)能電池伏安特性的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

太陽(yáng)能電池伏安特性的測(cè)量

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解太陽(yáng)能電池的工作原理及其應(yīng)用2.測(cè)量太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線

【實(shí)驗(yàn)原理】1．太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)以晶體硅太陽(yáng)電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示．晶體硅太陽(yáng)電池以硅半導(dǎo)體材料制成大面積pn結(jié)進(jìn)行工作．一般采用n+/p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，即在約10cm×10cm面積的p型硅片（厚度約500μm）上用擴(kuò)散法制作出一層很薄（厚度~0.3μm）的經(jīng)過(guò)重?fù)诫s的n型層．然后在n型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極．在整個(gè)背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極．這樣就形成了晶體硅太陽(yáng)電池．為了減少光的反射損失，一般在整個(gè)表面上再覆蓋一層減反射膜．

圖一太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖2．光伏效應(yīng)

圖二太陽(yáng)電池發(fā)電原理示意圖當(dāng)光照射在距太陽(yáng)電池表面很近的pn結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在p區(qū)、n區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子–空穴對(duì)．那些在結(jié)附近n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散．只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處．在p區(qū)與n區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)．在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由n區(qū)指向p區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)．這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被拉向p區(qū)．同樣，如果在結(jié)附近p區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向n區(qū)．結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子–空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向n區(qū)和p區(qū)．如果外電路處于開(kāi)路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)．這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)（PhotovoltaicEffect,縮寫為PV）．

3．太陽(yáng)電池的表征參數(shù)太陽(yáng)電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)．當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Iph．同時(shí)，由于pn結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反．因此，實(shí)際獲得的電流I為

（1）式中VD為結(jié)電壓，I0為二極管的反向飽和電流，Iph為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的．n稱為理想系數(shù)（n值），是表示pn結(jié)特性的參數(shù)，通常在1~2之間．q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為溫度．如果忽略太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻Rs，VD即為太陽(yáng)電池的端電壓V，則（1）式可寫為

（2）

當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端短路時(shí)，V=0（VD≈0），由（2）式可得到短路電流

即太陽(yáng)電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比．當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端開(kāi)路時(shí)，I=0，由（2）和（3）式可得到開(kāi)路電壓

（3）

當(dāng)太陽(yáng)電池接上負(fù)載R時(shí)，所得的負(fù)載伏–安特性曲線如圖2所示．負(fù)載R可以從零到無(wú)窮大．當(dāng)負(fù)載Rm使太陽(yáng)電池的功率輸出為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率Pm為

（4）

式中Im和Vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓．將Voc與Isc的乘積與最大功率Pm之比定義為填充因子FF，則

（5）

FF為太陽(yáng)電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高．FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等．太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率η定義為太陽(yáng)電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能Pin之比，即

（6）

圖三太陽(yáng)電池的伏–安特性曲線4．太陽(yáng)電池的等效電路

80cm電壓0.531.492.393.284.244.765.305.595.856.276.596.786.967.117.267.377.768.128.488.6880cm80cm電壓0.531.492.393.284.244.765.305.595.856.276.596.786.967.117.267.377.768.128.488.6880cm串聯(lián)功率112.1102.996.288.482.577.472.970.667.563.961.560.258.957.756.555.352.350.144.639.580cm并聯(lián)電流59.410153.30.43229.91.47289.92.47349.82.94368.43.57386.44.12394.74.77394.95.24400.75.51405.35.69408.25.90410.06.06410.26.49410.26.90407.67.55405.87.91406.88.17378.28.38342.98.56電壓9086.177.268.865.561.357.853.250.048.246.745.243.741.138.032.828.823.718.012.8功率037.02113.4169.9192.6218.8238.1253.8262265.6265.7266.7264.8266.7262.2248.2227.8193.6150.8109.6電流0.301.873.314.776.307.789.3610.811.9512.5713.1613.7014.2015.0015.4315.8316.0416.4316.716.85電壓62.760.759.357.455.453.050.346.243.742.141.140.038.937.135.934.333.431.329.127.0功率18.81113.5196.3273.8349.0412.3470.8499.0522.2529.2540.9548.0552.4556.5553.9543.0535.7514.3486.0455.0電流電壓功率0.70140.898.561.70132.5225.22.67122.9328.13.76112.4422.64.73102.1482.95.4993.6513.95.9788.8530.16.2285.0528.76.5181.8532.56.8779.1543.47.1876.9552.17.3574.9550.57.4473.6547.67.5072.3542.27.5970.7536.67.9265.3517.28.1160.6491.58.3154.4452.18.4350.0421.58.5645.2386.9太陽(yáng)電池可用pn結(jié)二極管D、恒流源Iph、太陽(yáng)電池的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當(dāng)于pn結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻Rsh組成的電路來(lái)表示，如圖3所示，該電路為太陽(yáng)電池的等效電路．由等效電路圖可以得出太陽(yáng)電池兩端的電流和電壓的關(guān)系為

（7）為了使太陽(yáng)電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh．

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】

◆實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的各個(gè)條件下的電流、電壓以及對(duì)應(yīng)的功率的表格如下：60cm電流1234567891011121314151617181920

8.839.069.279.409.6818.699.3634.825.515.48.5000307.3231.0142.879.90008.738.9917.5217.6817.769.227.90020.117.38.839.069.279.409.6818.699.3634.825.515.48.5000307.3231.0142.879.90008.738.9917.5217.6817.769.227.90020.117.316.18.368.970352.2305.9285.976.5317.0117.328.899.029.1525.222.730.322.314.7428.7393.2269.4201.1134.58.708.7939.934.9347.1306.8222324252627282930表1

1.根據(jù)以上數(shù)據(jù)作出各個(gè)條件下太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線

2.各個(gè)條件下，光伏組件的輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化

【對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的現(xiàn)象或問(wèn)題進(jìn)行分析、討論】

◆各個(gè)條件下太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線圖的分析與討論從圖中的曲線可以明顯看出：1.光照距離越近，也即是光強(qiáng)越大，電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大（但不能斷定是否有上界）；2.研究電動(dòng)勢(shì)的大小，兩個(gè)電池并聯(lián)，電動(dòng)勢(shì)幾乎不變，電池串聯(lián)，電動(dòng)勢(shì)大致增大一倍；3.研究電池電阻的大小，在I-V圖里，函數(shù)線越陡，電阻越小，函數(shù)線越平坦，電阻越大。在圖中可以看出：串聯(lián)電池使得電池的總電阻倍增，而并聯(lián)使得電池的總電阻減小；光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越小（但應(yīng)有下界），光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越大。4.研究電池的短路電流（這里以圖中的各個(gè)最大電流作為短路電流），電池的并聯(lián)使得短路電流增大，串聯(lián)使得短路電流減?。ㄟ@是由于內(nèi)阻串并聯(lián)的原因）；光照強(qiáng)度越大，短路電流越大，光照強(qiáng)度越小，短路電流越?。◤奶?yáng)能電池的原理可知：光照強(qiáng)度決定了光生電流的大小，從而決定了短路電流和電動(dòng)勢(shì)的大?。?。

◆各個(gè)條件下輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化曲線圖的分析與討論1.雖然各個(gè)曲線不是特別平滑，但對(duì)于最大輸出功率的測(cè)量還是很成功的，因?yàn)樵诿織l曲線的最高點(diǎn)附近所測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)都足夠多，這樣對(duì)最大功率的估計(jì)的準(zhǔn)確度有很好的幫助。2.研究個(gè)條件下的最大功率的大小，可以看出：雙電池供電（不論是串聯(lián)還

??????/V9.688.9918.699.36????/mW410.2266.7556.5??????/V9.688.9918.699.36????/mW410.2266.7556.5552.1????/mA57.745.237.176.9????/v7.115.9015.07.18????/歐123.2130.5404.393.4FF0.3780.3450.4750.419照強(qiáng)度越小，輸出功率也越小。3.研究達(dá)到最大功率時(shí)的電壓????，從圖中可以看出：光照強(qiáng)度越大，????也就越大，光照強(qiáng)度越小，????相對(duì)偏??；電池并聯(lián)對(duì)????的改變不大，而電池串聯(lián)會(huì)明顯加大????（個(gè)人認(rèn)為這跟電池電阻在總電路中的比重有關(guān)）。

◆各個(gè)量的統(tǒng)計(jì)

??????/mA60cm112.180cm86.180cm串聯(lián)62.780cm并聯(lián)140.8

說(shuō)明：1.由于本組成員在做實(shí)驗(yàn)時(shí)的疏忽，并未直接測(cè)量各個(gè)條件下的短路電流，在這里以測(cè)量電壓最小時(shí)的電流作為短路電流；2.由于這里的短路電流是測(cè)量電壓最小時(shí)的電流，所以由函數(shù)特性可知，真正的短路電流比這里的??????要大，由此使得最終的FF值比理論值偏大；

分析：1.從測(cè)得的FF數(shù)據(jù)可以看出，太陽(yáng)能電池的填充因子并不大，這也使得太陽(yáng)能電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率比較低，所以提高FF是太陽(yáng)能電池研發(fā)的一個(gè)重要方向；2.從????的比較可以看出，光照越強(qiáng)，則????偏小，但應(yīng)該有一個(gè)下界，串聯(lián)使得????大大增大，而并聯(lián)使得????有所減??；3.關(guān)于????和????的比較已在前面做出了分析。

【附頁(yè)】1.可以看出，我在實(shí)驗(yàn)原理的這一部分基本copy了網(wǎng)上的預(yù)習(xí)資料，此部分實(shí)際上并非自己的東西（對(duì)于其他同學(xué)也不是），于是我特意將實(shí)驗(yàn)原理的部分的字體縮小，以減小實(shí)驗(yàn)的篇幅，并將重點(diǎn)放在了原理后面的各個(gè)部分。2.《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》在本實(shí)驗(yàn)部分里并未設(shè)置思考題（其他的實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了），我覺(jué)得一個(gè)實(shí)驗(yàn)如果僅僅是做了而不去深入思考，那僅僅是練手而已，幾乎等于白做。所以在這里給出一些自己對(duì)該實(shí)驗(yàn)的一些思考?！髟趯?shí)際測(cè)量電流和電壓的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，如何把握在Pm附近點(diǎn)的測(cè)量？這是一個(gè)十分實(shí)際的問(wèn)題，它直接關(guān)系到最后Pm的值，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量得比較少（比如只有一兩個(gè)點(diǎn)），那么對(duì)Pm的估計(jì)會(huì)有很大的誤差；相反，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)得比較多，使得P-U曲線的頂峰上有比較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么對(duì)Pm的估計(jì)是十分準(zhǔn)確的。于是，我們應(yīng)該在測(cè)量數(shù)據(jù)接近Pm點(diǎn)時(shí)意識(shí)到應(yīng)該在該區(qū)域加密數(shù)據(jù)的測(cè)量。那么如何判斷Pm會(huì)出現(xiàn)在哪個(gè)區(qū)域呢？在正式測(cè)量開(kāi)始之前先對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的幾個(gè)U、I點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由此可由二分逼近法得到一個(gè)Pm的大概區(qū)域，這個(gè)區(qū)域一般在1V到2V寬比較適合。接下來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況縮小測(cè)量間隔，在該區(qū)域

里多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，出了該區(qū)域之后再加寬測(cè)量間距?！麝P(guān)于萬(wàn)用表示數(shù)顯示問(wèn)題該實(shí)驗(yàn)中的萬(wàn)用表在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，最后以為總是跳躍不停，究其原因，我認(rèn)為不是萬(wàn)用表自己的問(wèn)題，而是太陽(yáng)能電池本身產(chǎn)生的電流不是絕對(duì)穩(wěn)定所造成的。對(duì)于不斷跳躍的尾數(shù)，老師建議的方法是：同時(shí)按下電流表和電壓表的hold鍵，記下對(duì)應(yīng)的兩個(gè)數(shù)?？梢灾?，萬(wàn)用表的尾數(shù)的跳躍范圍在3到5左右，也就是說(shuō)瞬間前后的按下hold鍵所測(cè)得的數(shù)據(jù)可能相差了0.05V或0.5mA，所以在實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔至少應(yīng)該是0.1V或0.5mA，否則測(cè)量的數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的。其實(shí)實(shí)際上如果測(cè)量數(shù)據(jù)的間距真有如此小，那在Origin上的兩點(diǎn)也幾乎完全重合。

【感想】

先來(lái)說(shuō)說(shuō)自己在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)的情況吧。我不敢說(shuō)我做實(shí)驗(yàn)是不是有一種什么狀態(tài)在影響我（想運(yùn)動(dòng)員的狀態(tài)起伏一樣），但今天的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)真的不是很好。自己到了實(shí)驗(yàn)室才發(fā)現(xiàn)自己精心做的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告丟在了寢室，不得不出去再打印一份。在老師講解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)細(xì)節(jié)時(shí)，我承認(rèn)自己也沒(méi)有專心聽(tīng)講