太陽能光伏電池測(cè)試與分析

哈爾濱工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告HarbinInstituteofTechnology近代光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：太陽能光伏電池測(cè)試與分析院系：專業(yè)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：哈爾濱工業(yè)大學(xué)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解pn結(jié)基本結(jié)構(gòu)和工作原理；2、了解太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)，理解工作原理；3、掌握pn結(jié)的IV特性及IV特性對(duì)溫度的依賴關(guān)系；4、掌握太陽能電池基本特性參數(shù)測(cè)試原理與方法，理解光源強(qiáng)度、波長、環(huán)境溫度等因素對(duì)太陽能 電池特性的影響；5、通過分析PN結(jié)、太陽能電池基本特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方法，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間存在差異的原因。二、實(shí)驗(yàn)原理1、光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料是一類特殊的材料，從宏觀電學(xué)性質(zhì)上說它們導(dǎo)電能力在導(dǎo)體和絕緣體之間，導(dǎo)電能力隨外界環(huán)境（如溫度、光照等）發(fā)生劇烈的變化。半導(dǎo)體材料具有負(fù)的帶電阻溫度系數(shù)。從材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說，這類材料具有半滿導(dǎo)帶、價(jià)帶和半滿帶隙，溫度、光照等因素可以使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，改變材料的電學(xué)性質(zhì)。通常情況下，都需要對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行必要的摻雜處理，調(diào)整它們的電學(xué)特性，以便制作出性能更穩(wěn)定、靈敏度更高、功耗更低的電子器件?；诎雽?dǎo)體材料電子器件的核心結(jié)構(gòu)通常是pn結(jié)，pn結(jié)簡單說就是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的基礎(chǔ)區(qū)域，太陽能電池本質(zhì)上就是pn結(jié)。常見的太陽能電池從結(jié)構(gòu)上說是一種淺結(jié)深、大面積的pn結(jié)，如圖1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種通性。當(dāng)光照射到一塊非均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果構(gòu)成適當(dāng)?shù)幕芈肪蜁?huì)產(chǎn)生電流。這種電流叫做光生電流，這種內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。非均勻半導(dǎo)體就是指材料內(nèi)部雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體。pn結(jié)是典型的一個(gè)例子。N型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料接觸形成pn結(jié)。pn結(jié)根據(jù)制備方法、雜質(zhì)在體內(nèi)分布特征等有不同的分類。制備方法有合金法、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等等。雜質(zhì)分布可能是線性分布的，也可能是存在突變的，pn結(jié)的雜質(zhì)分布特征通常是與制備方法相聯(lián)系的。不同的制備方法導(dǎo)致不同的雜質(zhì)分布特征。I=ISC=IL其二是負(fù)載電阻，外電路處于開路狀態(tài)。流過負(fù)載電阻電流為零，根據(jù)等效電路圖3，光電流正好被正向結(jié)電流抵消，光電池兩端電壓Voc就是所謂的開路電壓。顯然有得到開路電路電壓VOC為圖4太陽能電池最大功率矩形開路電壓Voc和閉路電路Isc是光電池的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上這兩個(gè)參數(shù)通過確定穩(wěn)定光照下太陽能電池IV特性曲線與電流、電壓軸的截距得到。不難理解，隨著光照強(qiáng)度增大，確定太陽能電池的閉路電流和開路電壓都會(huì)增大。但是隨光強(qiáng)變化的規(guī)律不同，閉路電路Isc正比于入射光強(qiáng)度，開路電壓Voc隨著入射光強(qiáng)度對(duì)數(shù)式增大。從半導(dǎo)體物理基本理論不難得到這個(gè)結(jié)論。此外，從太陽能電池的工作原理考慮，開路電壓Voc不會(huì)隨著入射光強(qiáng)度增大而無限增大的，它的最大值是使得pn結(jié)勢(shì)壘為零時(shí)的電壓值。換句話說太陽能電池的最大光生電壓為pn結(jié)的勢(shì)壘高度VD圖4太陽能電池最大功率矩形4、太陽能電池的效率太陽能電池從本質(zhì)上說一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過程都存在效率問題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過程效率不可能是100％。就太陽能電池而言，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽能電池的效率，最終我們期望太陽光電池具有足夠高的效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出電能Pm和入射光能Pin的比值：其中在I－V關(guān)系中構(gòu)成一個(gè)矩形，叫做最大功率矩形。如圖4光特性I－V曲線與電流、電壓軸交點(diǎn)分別是閉路電流和開路電壓。最大功率矩形取值點(diǎn)pm的物理含義是太陽能電池最大輸出功率點(diǎn)，數(shù)學(xué)上是I－V曲線上坐標(biāo)相乘的最大值點(diǎn)。閉路電流和開路電壓也自然構(gòu)成一個(gè)矩形，面積為IscVoc，定義為占空系數(shù)，圖形中它是兩個(gè)矩形面積的比值。占空系數(shù)反映了太陽能電池可實(shí)現(xiàn)功率的度量，通常的占空系數(shù)在0.7～0.8之間。太陽能電池本質(zhì)上是一個(gè)pn結(jié)，因而具有一個(gè)確定的禁帶寬度。從原理我們得知只有能量大于禁帶寬度的入射光子才有可能激發(fā)光生載流子并繼而發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。因此，入射到太陽能電池的太陽光只有光子能量高于禁帶寬度的部分才會(huì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。Si太陽能電池的最大效率大致是28％左右。對(duì)太陽能電池效率有影響的還有其它很多因素，如大氣對(duì)太陽光的吸收、表面保護(hù)涂層的吸收、反射、串聯(lián)電阻熱損失等等。綜合考慮起來，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率大致在10％～15％之間。為了提高單位面積的太陽能電池電輸出功率，可能采取的辦法中通過光學(xué)透鏡集中太陽光是有效的。太陽光強(qiáng)度可以提高幾百倍，閉路電流線性增大，開路電流指數(shù)式增大。不過具體的理論分析發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的效率隨著光照強(qiáng)度增大是不是急劇增大的，而是有輕微增大。但是考慮到透鏡價(jià)格相對(duì)于太陽能電池低廉，因?yàn)橥哥R集中也是一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)選擇。圖5實(shí)測(cè)太陽能電池暗特性曲線圖5給出了對(duì)某種商用太陽能電池板室溫下（25℃）實(shí)際測(cè)量得到的暗特性I－V曲線。圖6實(shí)測(cè)太陽能電池光特性曲線圖6是對(duì)某種商用太陽能電池板室溫下（25℃）、150W氙燈光源直接照射下得到的光特性I－V曲線、功率曲線和最大功率矩形示意圖。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備采用整體箱式布局，所有元件都集中在一個(gè)箱體中，無外在分離結(jié)構(gòu)。包括光源與太陽能電池、光路和外電路三個(gè)部分。1、光源與太陽能電池部分采用高壓氙燈光源，高壓氙燈具有與太陽光相近的光譜分布特征。光源標(biāo)稱功率750W。2、光路部分

本設(shè)備光路簡潔，有光源、濾色片、光強(qiáng)探測(cè)器構(gòu)成。濾色片用于研究近似單色光作用下太陽能的光譜響應(yīng)特性。光強(qiáng)探測(cè)器標(biāo)定入射光強(qiáng)度。外電路外電路包括光源驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制電路和測(cè)試分析電路三部分。光源驅(qū)動(dòng)電路用于氙燈的點(diǎn)燃和軸流風(fēng)冷。溫控電路用于太陽能電池片的溫度控制，加熱采用電阻絲加熱，冷卻采用兩級(jí)半導(dǎo)體冷堆方式?？稍?0℃~150℃范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行特性測(cè)量。測(cè)試分析電路提供測(cè)試分析儀表的工作電壓。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、太陽能電池暗特性測(cè)試暗特性測(cè)試不需要開啟光源。測(cè)試反偏電壓V下通過太陽能電池的電流I；測(cè)試正向偏壓下通過太陽能電池的電流I。匯總測(cè)試數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排測(cè)量不同溫度下的特性曲線。根據(jù)理想pn結(jié)電流電壓方程對(duì)正偏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：匯總正向偏壓數(shù)據(jù)形成的I-V特性曲線如下圖：取特性曲線上兩點(diǎn)（3000，20000），（3300，60000）由，其中為常數(shù)，可得=273mV，IS=0.34μA，即擬合函數(shù)為2、太陽能電池光照特性測(cè)試（1）不加載濾色片、光強(qiáng)度最大條件下通過改變負(fù)載電阻來測(cè)試太陽能電池I－V特性曲線，匯總數(shù)據(jù)形成I－V特性曲線，然后根據(jù)特性曲線求解出開路電壓Voc、閉路電流Isc；不加載濾色片，在兩種不同光強(qiáng)下測(cè)量I－V特性，得到不同光強(qiáng)下的I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)；最大光強(qiáng)下，加載不同濾色片，測(cè)量I－V特性，得到不同單色光照情況下的I－V特性曲線、開路電壓、閉路電路數(shù)據(jù)；（4）不同溫度下的重復(fù)（1）得到不同溫度下I－V特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)。對(duì)比光強(qiáng)度、濾色片、溫度對(duì)太陽能電池的I－V特性的影響，根據(jù)I－V曲線計(jì)算出不同測(cè)量參數(shù)下的最大功率矩形的值，進(jìn)而計(jì)算出占空系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1. 不加載濾色片，06檔光強(qiáng)（最大光強(qiáng)度）下得到的特性曲線如下圖：可以求出，開路電壓VOC=2680mV，短路電流ISC=55000μA。Vm=2000mV，Im=48300μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.662. 不加載濾色片，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2580mV，短路電流ISC=28500μA。Vm=2050mV，Im=26000μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.72。加載710nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2330mV，短路電流ISC=2200μA。Vm=1780mV，Im=1980μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.694. 加載710nm濾色片，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2270mV，短路電流ISC=1100μA。Vm=1700mV，Im=960μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.655. 加載770nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2180mV，短路電流ISC=725μA。Vm=1620mV，Im=600μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.61加載770nm濾色片，03檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2000mV，短路電流ISC=378μA。Vm=1500mV，Im=293μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.587. 加載900nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2020mV，短路電流ISC=378μA。Vm=1590mV，Im=293μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.618. 加載1035nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2350mV，短路電流ISC=1770μA。Vm=1830mV，Im=1530μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.679. 加載660nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2500mV，短路電流ISC=3620μA。Vm=2000mV，Im=3160μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.70加載570nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2310mV，短路電流ISC=1730μA。Vm=1820mV，Im=1480μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.67加載490nm濾色片，06檔光強(qiáng)下得到的特性曲線如下圖可以求出，開路電壓VOC=2180mV，短路電流ISC=845μA。Vm=1660mV，Im=695μA，占空系數(shù)（ImVm/ISCVOC)=0.63光強(qiáng)度、濾色片、溫度對(duì)太陽能電池的I－V特性的影響光強(qiáng)度增強(qiáng)，太陽能電池的開路電壓和短路電流均相應(yīng)增強(qiáng)，但電壓變化幅度較小，呈對(duì)數(shù)式變化，而電流與光強(qiáng)變化成正比。濾色片使太陽能電池的開路電壓和短路電流都減小，對(duì)電壓影響較小，對(duì)電流影響很大。不同波長的濾波片對(duì)應(yīng)的短路電流不同。隨著溫度的上升，短路電流上升，開路電壓減少，轉(zhuǎn)換效率降低。 3、不同基材（多晶、非晶、單晶）太陽能電池特性對(duì)比研究轉(zhuǎn)換效率，單晶硅太陽能電池＞多晶硅太陽能電池＞非晶硅太陽能電池。五、問題1、太陽能電池的工作原理是什么？答：太陽能電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。其基本原理是：當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子。在內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，使pn結(jié)兩側(cè)形成電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。為了得到較高的光電轉(zhuǎn)化效率，太陽能電池在高溫下工作有利還是低溫下工作有利？答：太陽能電池的工作環(huán)境溫度可以在較大的范圍內(nèi)變化。電池的短路電流并不強(qiáng)烈的依賴于溫度。隨溫度上升，短路電流略有增加，但開路電壓和占空系數(shù)都會(huì)減小，所以溫度升高對(duì)電池的總影響是降低效率，使輸出功率降低。當(dāng)硅電池本身的溫度超過60度時(shí)，其發(fā)電效率會(huì)大幅下降。所以太陽能電池在低溫下工作有利。3、為了盡可能提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，太陽能電池表面應(yīng)該怎么處理為好？答：將太陽能電池表面制成金字塔型的結(jié)構(gòu)，并加上抗反射層，以減少光的反射量；在照光的表面會(huì)從條狀金屬電極伸展出一列很細(xì)的金屬指狀物，除了能有效地收集載流子，而且可以減少金屬線遮蔽入射光的比例，從而盡可能提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。不同單色光下太陽能電池的光照特性有什么變化？為什么？答：太陽能電池對(duì)不同波長的光具有不同的響應(yīng)，即不同單色光照射到太陽能電池上其效果是不一樣的，太陽能電池會(huì)產(chǎn)生不同的短路電流。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子，即只能在一有限波段轉(zhuǎn)換太陽能量。附錄實(shí)驗(yàn)記錄的原始數(shù)據(jù)一，1、暗特性曲線：二．光特性曲線2．1、光特性：六檔參數(shù)：開路電壓，