硅光電池特性

本文格式為Word版，下載可任意編輯——硅光電池特性硅光電池特性及應(yīng)用研究

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解和研究硅光電池的主要參數(shù)和基本特性。

2.測量太陽能電池板的負(fù)載特性及短路電流ISC、開路電壓UOC并計(jì)算最大輸出功率pm和填充因子FF。

二、試驗(yàn)儀器

硅光電池，太陽能電池板，光學(xué)導(dǎo)軌及支座附件，光源，電源，光功率計(jì)，聚光透鏡，5個(gè)濾光片，多量程毫安表及伏特表，電阻箱，開關(guān)，一對偏振器等。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

遮光罩光源20cm圖1

太陽能電池盒三、試驗(yàn)原理

太陽能是一種新能源，對太陽能的充分利用可以解決人類日趨增長的能源需求問題。目前，太陽能的利用主要集中在熱能和發(fā)電兩方面。利用太陽能發(fā)電目前有兩種方法，一是利用熱能產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，二是太陽能電池。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，大量發(fā)達(dá)國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進(jìn)行研究。本試驗(yàn)通過對太陽能電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量，聯(lián)系科技開發(fā)實(shí)際，有一定的別致性和實(shí)用價(jià)值。

硅光電池在沒有光照時(shí)其特性可視為一個(gè)二極管，在沒有光照時(shí)其正向偏壓U與通過電流I的關(guān)系式為：

I?Io(e?U?1)，(1)

(1)式中，Io和?是常數(shù)。

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)體導(dǎo)電帶，EV為半導(dǎo)體價(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，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。

電子光子空穴圖2

導(dǎo)電帶EC能隙價(jià)電帶EV

假設(shè)硅光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(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh與一個(gè)電阻Rs所組成，如圖3所示。

Iph-IdIdIphIRshRs+U-RL圖3

圖3中，Iph為硅光電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流，Id為光照時(shí)，通過硅光電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：

IRs?U?(Iph?Id?I)Rsh?0，（2）

（2）式中，I為硅光電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（2）式可得，

I(1?RsU)?Iph??Id，（3）RshRsh假定Rsh??和Rs?0，硅光電池可簡化為圖4所示電路。

IdIphIU圖4

這里，I?Iph?Id?Iph?I0(e在短路時(shí)，U＝0，Iph?Isc；而在開路時(shí)，I＝0，Isc?I0(e?U?1)。

?Uoc?1)?0；

?

UOC?Ilnsc[?1]，（4）?I01（4）式即為在Rsh??和Rs?0的狀況下，硅光電池的開路電壓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I0、?是常數(shù)?？煽闯鲩_路電壓UOC與

短路電流ISC滿足對數(shù)關(guān)系，假使ISC與光照強(qiáng)度有線性關(guān)系，則UOC與光照強(qiáng)度也滿足對數(shù)關(guān)系。

硅光電池一大用途就是制成太陽能電池板來發(fā)電，大陽能電池板是由多個(gè)硅晶片根據(jù)功率大小串聯(lián)和并聯(lián)組合制成的，所以太陽能電池板的原理與硅光電池一樣，由于二極管的分流作用，負(fù)載電阻越大，太陽能電池板的輸出電流越小，試驗(yàn)可以證明這時(shí)輸出電壓卻越大。因此，在入射光能量不變化的狀況下，要從光電池獲取最大功率，負(fù)載電阻要取恰當(dāng)?shù)闹怠Ｆ渲刑柲茈姵匕宓奶畛湟蜃?/p>

PmFF=

(IscUoc)(5)

填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。

四、試驗(yàn)內(nèi)容

1．在沒有光源的條件下，測量硅光電池正向偏壓時(shí)的伏安特性（直流偏壓從0—5.0V）。a、伏安特性即I－U關(guān)系，圖5為試驗(yàn)原理圖，根據(jù)原理圖連接好線路。

b、自擬數(shù)據(jù)表1，利用測得的正向偏壓時(shí)I－U關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出㏑?－U曲線并求得常數(shù)?和I0的值（利用條件I>>I0）。

圖5圖6

C、參照表格2，測出開路電壓以及開路電流與距離（太陽能電池板到光源處的距離）：

表格2X/㎝UI101520253035404550556065

2.測量光電池的光照特性

測量短路電流ISC與光電池上的相對光照強(qiáng)度的變化關(guān)系。在光電池的線性響應(yīng)范圍內(nèi)，光電流與入射光強(qiáng)度成正比，這是光電池作為光電檢測元件被廣泛應(yīng)用的重要原因。a、取離白光源20cm水平距離處的光強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，用光功率計(jì)測量該處的光照強(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處的光照強(qiáng)度J和此時(shí)的ISC的值并填入表3，其中電路原理圖如圖6所示。

描繪ISC和相對光強(qiáng)度J/J0之間的關(guān)系曲線，求ISC和與相對光強(qiáng)J/J0之間近似關(guān)系函數(shù)。

表3

X/㎝J203032343638404244464850J/J0ISC/mA3.測量太陽能電池板的負(fù)載特性

測量光照狀況下，太陽能電池板的輸出電壓和輸出電流與負(fù)載電阻的關(guān)系（填表4）。其中電路原理圖如圖7所示，根據(jù)表4，畫出在有負(fù)載的狀況下輸出電壓和電流之間的關(guān)系，并畫出負(fù)載電阻與輸出功率的關(guān)系；確定太陽能電池板的最大輸出功率pm以及最大輸出功率時(shí)的負(fù)載電阻Re（最正確匹配電阻）。

圖7

表4

R10R2100R3200R4300…………R414000R425000R436000…………R7199999Rn/?U/VI/mA4.填充因子（FullFactor）FF

填充因子表示最大輸出功率IMUM與極限輸出功率表示，

IscUoc之比，尋常以FF

即：

FF?IMUMIscUoc

填充因子是表征太陽電池優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。填充因子愈大，太陽電池性能就愈好

5.光電轉(zhuǎn)換效率：

光電轉(zhuǎn)換效率是太陽電池性能優(yōu)劣的最重要判據(jù)，常以η表示，一般定義為太陽電池最大輸出功率和照射到太陽電池上的入射功率之比，即：

??IMUMPin

P其中和IMUM為最大功率點(diǎn)的電流和電壓，而in為入射光的功率.

五、思考題

1.嚴(yán)格地說，本試驗(yàn)得出的光電池光譜特性并不能確鑿描述光電池對入射光中各頻率分量

的響應(yīng)特性，或者說，這樣得出的光譜特性，還包含了其他因素的影響，這些影響因素是什么呢？

2.硅光電池除了用于太陽能發(fā)電外還是一種半導(dǎo)體元件