太陽能電池實(shí)驗(yàn)論文

PAGE太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)報(bào)告丁淑偉（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院0908406027）

摘要：太陽能是一種新能源，對(duì)太陽能的充分利用可以解決人類日趨增長(zhǎng)的能源需求問題。目前，太陽能的利用主要集中在熱能和發(fā)電兩方面。太陽能的利用和太陽能電池的特性研究是21世紀(jì)的熱門課題，許多發(fā)達(dá)國家正投入大量人力物力對(duì)太陽能接收器進(jìn)行研究。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。關(guān)鍵詞：太陽能電池單晶硅多晶硅非晶硅引言：能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲(chǔ)量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的CO2、SO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風(fēng)雨和酸雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人類帶來無窮的煩惱。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過500億噸。我國能源消費(fèi)以煤為主，CO2的排放量占世界的15%，僅次于美國，所以減少排放CO2、SO2等溫室氣體，已經(jīng)成為刻不容緩的大事。推廣使用太陽輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢(shì)。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動(dòng)，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會(huì)枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。太陽與地球的平均距離為1億5千萬公里。在地球大氣圈外，太陽輻射的功率密度為1.353kW/m2，稱為太陽常數(shù)。到達(dá)地球表面時(shí)，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時(shí)，太陽輻射的功率密度約為1kW/m2，通常被作為測(cè)試太陽電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽到地球的總輻射功率比目前全世界的平均消費(fèi)電力還要大數(shù)十萬倍。每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢(shì)。太陽能發(fā)電有兩種方式。光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(fā)電目前成本較高，所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，2002年，國家有關(guān)部委啟動(dòng)了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。正文：實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容：太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量測(cè)量太陽能電池的開路電壓和光強(qiáng)之間的關(guān)系測(cè)量太陽能電池的短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系太陽能電池的輸出特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理：太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱為短路電流。 負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱為開路電壓。 太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為：（1）填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.75~0.8之間。轉(zhuǎn)換效率ηs定義為：（2）Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長(zhǎng)，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。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(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。實(shí)驗(yàn)儀器：光具座、滑塊、白熾燈、太陽能電池、光功率計(jì)、遮光罩、電壓表、電流表、電阻箱太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。圖4太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光功率，具體數(shù)值由光功率計(jì)測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光功率的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓/光功率表：通過“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光功率輸入”接口的光功率計(jì)探頭測(cè)量到的光功率數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光功率量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測(cè)量并顯示0～200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。圖5太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1．硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫出單晶硅,多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測(cè)試原理圖如圖6所示。將待測(cè)的太陽能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。圖6伏安特性測(cè)量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。記錄到表1中。將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級(jí)管的伏安特性有何異同。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由圖可以看出，三種材料的正向電壓都符合二極管的伏安特性曲線變化趨勢(shì)。但反向電壓有所不同。單晶硅和非晶硅的反向擊穿電壓比較大，漏電較??；多晶硅的漏電流較大，反向擊穿電壓不明顯。2．開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將光功率探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測(cè)試儀的“光功率輸入”接口上。測(cè)試儀設(shè)置為“光功率測(cè)量”。由近及遠(yuǎn)移動(dòng)滑動(dòng)支架，測(cè)量距光源一定距離的光強(qiáng)I=P/S,P為測(cè)量到的光功率，S=0.2cm2為探頭采光面積。將測(cè)量到的光強(qiáng)記入表2。將光功率探頭換成單晶硅太陽能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖7A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知），記錄開路電壓值于表2中。按圖7B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復(fù)測(cè)量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表23種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線：根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強(qiáng)變化的關(guān)系曲線：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1、三種太陽能電池的開路電壓隨光照強(qiáng)度的增加而增加；2．、三種太陽能電池的短路電流隨光照強(qiáng)度的增加而增加。3．太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)按圖8接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置），分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率PO=V×I，填于表3中。表33種太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)I=735.5W/m2根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由圖可看出，在同樣光照強(qiáng)度下，三種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率各不相同。注意事項(xiàng)：在預(yù)熱光源的時(shí)候，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實(shí)驗(yàn)誤差；光源工作及關(guān)閉后的約1小時(shí)期間，燈罩表面的溫度都很高，請(qǐng)不要