太陽能電池的實驗

太陽能電池的光電特性研究學(xué)院：物理與光電·能源學(xué)部專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號：1208402038姓名：王琰摘要：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。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，許多興旺國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進(jìn)行研究。其中硅太陽能電池是目前開展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實驗研究單晶硅，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。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，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會枯竭，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)地球外表時，局部太陽光被大氣層吸收，光輻射的強度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時，太陽輻射的功率密度約為1kW/m2，通常被作為測試太陽電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強度。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。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)動汽輪機(jī)發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而本錢很高。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)換的根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)電目前本錢較高，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)部委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電方案〞，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)電的本錢下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源本錢上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，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開展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。正文：實驗主要內(nèi)容：太陽能電池的暗伏安特性測量測量太陽能電池的開路電壓和光強之間的關(guān)系測量太陽能電池的短路電流和光強之間的關(guān)系太陽能電池的輸出特性測量實驗原理：能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染目前是人類面臨的最大問題。太陽能是干凈、無污染且隨手可得的能源，太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且不會產(chǎn)生環(huán)境污染。近幾年太陽能得到了大力的推廣與應(yīng)用。太陽能電池是一對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，通常叫做光生伏打效應(yīng)，太陽能電池以半導(dǎo)體材料為根底，利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面P-N結(jié)二極管。P-N結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，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，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)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運動，最終擴(kuò)散與漂移到達(dá)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，局部電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向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)，假設(shè)將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能是依賴自然光中的的量子—光子，而每個光子所攜帶的能量為Eph：式中：h表示普朗克常數(shù)〔6.626×10-34J.S〕，C表示光速〔3×108m/s〕，λ表示光子波長。圖2開路電壓，短路電流與光強關(guān)系電路圖在不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣，當(dāng)光子所攜帶的能量假設(shè)大于能隙時，便可以由光電子轉(zhuǎn)換成電能，假設(shè)光子所攜帶得能量小于能隙時，光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對，不會產(chǎn)生任何的電流，因此并非所有光子都能順利地由太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能。電池的能隙由電池材料決定〔對于晶體硅，約為1.1eV圖2開路電壓，短路電流與光強關(guān)系電路圖在一定的光照條件下，太陽光被吸收后產(chǎn)生電子-空穴對，在受到接面部份所形成的強電場的吸收，促使電子流入N層且空穴流入P層而形成電流，負(fù)載斷開時測得的最大電壓UOC稱為開路電壓，負(fù)載短路〔電阻為零〕時測得的最大電流ISC稱為短路電流，測量電路如圖2所示。圖2開路電壓，短路電流與光強關(guān)系電路圖如圖3所示，連接電路，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，就可以測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖4實線所示。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，輸出的功率是不一樣的。假設(shè)以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-U曲線如圖4點劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。圖3測量太陽能電池的輸出特性電路圖填充因子FF定義為：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：Pin為入射到太陽能電池外表的光功率。理論分析及實驗說明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時只略微增加，如圖5所示。在實際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將假設(shè)干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將假設(shè)干已并聯(lián)的電池組串連，組成電池板。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)及組成組件時的串并連關(guān)系。本實驗提供的組件是將假設(shè)干單元并聯(lián)。制作太陽能電池板主要以半導(dǎo)體材料為根底，根據(jù)材料的不同，太陽能電池分為：硅太陽能電池、無機(jī)鹽〔如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物〕電池、功能高分子大陽能電池、納米晶太陽能電池等。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，需要的技術(shù)水平較低,技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率可到達(dá)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。但由于單晶硅價格高，因此，單晶硅太陽能電池板的長遠(yuǎn)開展前景并不樂觀。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比擬，本錢低廉，但也存在明顯缺陷,由于晶粒界面和晶格錯位，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率一直無法突破20%的關(guān)口。其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可到達(dá)10%。其效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池本錢低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速開展。但是由于非晶硅的光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，使得電池性能不穩(wěn)定。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開展方向之一。實驗儀器：光具座、滑塊、白熾燈、太陽能電池、光功率計、遮光罩、電壓表、電流表、電阻箱太陽能電池實驗裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。圖4太陽能電池實驗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)值由光功率計測量。測試儀為實驗提供電源，同時可以測量并顯示電流、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量提供電壓。電壓/光功率表：通過“測量轉(zhuǎn)換〞按鍵，可以測量輸入“電壓輸入〞接口的電壓，或接入“光功率輸入〞接口的光功率計探頭測量到的光功率數(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太陽能電池特性實驗儀實驗內(nèi)容與步驟：四、實驗內(nèi)容1．測量硅太陽能電池的暗伏安特性暗伏安特性是指無光照射時，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。圖6伏安特性測量接線原理圖如圖6所示，連接好電路，用遮光罩罩住太陽能電池，電阻箱調(diào)至50圖6伏安特性測量接線原理圖翻開測試儀的電源，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，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，每間隔1V，記錄一次相應(yīng)的電壓與電流。以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，畫出太陽能電池的伏安特性曲線，并討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同。電壓〔V〕-7.5-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.62.82.93.03.1電流mA單晶-0.43-0.365-0.265-0.183-0.128-0.08-0.047-0.02300.0090.0280.0690.1570.3690.9052.47.919.354.490.22.94108.9多晶-1.863-1.432-0.886-0.554-0.146-0.122-0.05-0.00200.0140.0390.0930.2120.4951.1943.110.225.966.2103.32.92104.7非晶-0.284-0.219-0.135-0.086-0.058-0.038-0.023-0.01000.0050.0090.0130.0190.0290.1130.7362.33.85.66.67.89.12．開路電壓，短路電流與光強關(guān)系測量翻開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。翻開遮光罩。將光強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試儀的“光強輸入〞接口上。測試儀設(shè)置為“光強測量〞。由近及遠(yuǎn)移動滑動支架，測量距光源一定距離〔每次增加5cm〕的光強I，記錄對應(yīng)的光強值。然后將光功率探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設(shè)置為“電壓表〞狀態(tài)。按圖2A接線，按測量光強時的距離值〔光強〕，距離每增加5cm記錄對應(yīng)的開路電壓值UOC。再按圖2B接線，將太陽能電池輸出線連接到電流表，按測量光強時的距離值〔光強〕，距離每增加5cm記錄對應(yīng)的短路電流值ISC。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別作太陽能電池的開路電壓、短路電流隨光強變化的關(guān)