太陽能電池基本特性實(shí)驗(yàn)講義

PAGEPAGE2太陽能電池基本特性測定目前人類所消耗的能源的70％來自煤、石油、天然氣等化石燃料，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，化石能源的大量使用給地球環(huán)境造成了嚴(yán)重危害，使人類生存空間受到了極大的威脅。科學(xué)家預(yù)言，盡管化石燃料能源未來仍將占有相當(dāng)大比重，但其一統(tǒng)天下的局面將逐漸結(jié)束（地球上２億年形成的化石燃料，大體只夠人類使用300余年），可再生的清潔能源可望撐起未來世界能源供給的半壁江山。太陽能的利用和研究是21世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點(diǎn)課題之一。太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電能。目前硅太陽能電池應(yīng)用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已應(yīng)用于許多民用領(lǐng)域：如太陽能汽車、太陽能游艇、太陽能收音機(jī)、太陽能計(jì)算機(jī)、太陽能鄉(xiāng)村電站等。太陽能是一種清潔、“綠色”能源。因此，世界各國十分重視對太陽能電池的研究和利用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的工作原理。2、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的基本特性及其測試方法。3、了解硅光電池的基本應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.光功率計(jì)2.測試儀3.光源4.光電二極管（用專用連接線與光功率計(jì)相連接）5.樣品架（用于放置光電二極管傳感器，以及待測太陽能電池樣品，含遮光罩）6.導(dǎo)軌7.單晶硅樣品7.多晶硅樣品圖1太陽能電池特性測試儀1、太陽能電池:單晶硅和多晶硅各1塊：60×60mm2，有效面積50×45mm2，開路電壓不低于4V，閉路電流不小于15mA；2、光功率計(jì):三位半數(shù)顯，量程200uw、2mw和20mW三檔，數(shù)字按鍵檔位切換；光功率計(jì)傳感器采用高靈敏度光電二極管；3、精密電阻負(fù)載：0～99999.9Ω；4、測試儀:電壓表：2.000V和20.00V兩檔；電流表：2.000mA和200.0mA兩檔；0-5V可調(diào)直流電源，帶限流輸出功能；5、光源功率：100W；6、導(dǎo)軌：長75cm；三、實(shí)驗(yàn)原理太陽能電池在沒有光照時其特性可視為一個二極管，在沒有光照時其正向偏壓U與通過電流I的關(guān)系式為：(1)(1)式中，Ｉ為通過二極管的電流，和是常數(shù)，為反向飽和電流。由半導(dǎo)體理論，二極管主要是由能隙為EC－EV的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖2所示。EC為半導(dǎo)體電帶，EV為半導(dǎo)體價電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時，光子會被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光電流。圖圖2半導(dǎo)體能隙結(jié)構(gòu)示意圖假設(shè)太陽能電池的理論模型是由一理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻RSh與一個電阻RS所組成，如圖3所示。圖3中，IPh為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，Id為光照時,通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：(2)（2）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（1）式可得，(3)圖4太陽能電池簡化模型圖3太陽能電池理論模型圖4太陽能電池簡化模型圖3太陽能電池理論模型假定RSh=∞和RS=0，太陽能電池可簡化為圖4所示電路。這里，。在短路時，U＝0，；而在開路時，I＝0，；所以(4)（4）式即為在RSh=∞和RS=0的情況下，太陽能電池的開路電壓UOC和短路電流ISC的關(guān)系式。其中UOC為開路電壓，ISC為短路電流，而、是常數(shù)。當(dāng)太陽能電池接上負(fù)載時，負(fù)載R從零變到無窮大的過程中，使太陽能電池達(dá)到最大輸出功率時，式中和分別為最佳工作電流和最佳工作電壓，將與和的乘積之比定義為填充因子，(5)填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參,越大則輸出功率越高。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、硅光電池伏安特性測量。在沒有光照（全暗，即用遮光罩罩住樣品）的條件下，測量太陽能電池正向偏壓時的U－I特性（直流偏壓從0～3.0V）。畫出U-I曲線，求出和。測量電路如圖5所示，注意不要正負(fù)極性接錯（D代表太陽能電池，R=1000Ω為負(fù)載電阻，ε為可調(diào)直流電壓源）。正向偏壓從0～3.0V條件下，測量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)表格1中。圖5圖5太陽能電池伏安特性測量電路圖2、硅光電池負(fù)載特性測試。在不加偏壓時，用光源照射，保持白光源到太陽能電池距離20cm，測量電池在不同負(fù)載電阻下太陽能電池的輸出I與輸出電壓U特性。測量結(jié)果記錄在原始數(shù)據(jù)表格2中。3、太陽能電池的光照效應(yīng)與光電性質(zhì)測量。取太陽能電池與白光源水平距離20cm為起始位置，用光功率計(jì)測量該處的光功率P0，光強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度J0；改變太陽能電池到光源的距離X,用光功率計(jì)測量X處的光功率P，光強(qiáng)度為J，光的相對強(qiáng)度為J/J0，也即P/P0，可以得到光功率P與位置X的關(guān)系。測量太陽能電池在不同光功率條件下對應(yīng)應(yīng)的ISC和UOC的值。測量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)表格3中。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理硅光電池伏安特性測量。畫出U-I曲線，利用最小二乘法求出和。表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓U1(V)時的伏安特性測量（R=1000Ω）U1(V)U(V)I(uA)U1(V)U(V)I(uA)1.72.31.82.41.92.52.02.62.12.72.22.82.硅光電池負(fù)載特性測試。畫出U－I曲線圖,求出短路電流ISC和開路電壓UOC；畫出太陽能電池的輸出功率P=U*I和電壓U的關(guān)系，求出太陽能電池的最大輸出功率Pmax及相應(yīng)電壓；計(jì)算填充因子。表2光照情況下太陽能電池在加負(fù)載時的伏安特性測量R(Ω)I(uA)U(V)P(mW)R(Ω)I(uA)U(V)P(mW)20050006005400100058001400620018006600220070002600740030007800340082003800860042009000460094003.太陽能電池的光照效應(yīng)與光電性質(zhì)測量。(1)描繪ISC和光功率P之間的關(guān)系曲線，(2)描繪出UOC和光功率P之間的