大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-拓展提高篇 課件 實(shí)驗(yàn)3.9-太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)

1光陽能電池特性實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——拓展提高篇物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2光陽能電池特性實(shí)驗(yàn)第一節(jié)實(shí)驗(yàn)原理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——拓展提高篇物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景1、化石能源3太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景1、化石能源4石油開采煤炭開采天然氣開采能源危機(jī)5太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景2、環(huán)境污染冰川融化煤炭燃燒汽油燃燒石油泄漏6太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景3、可再生能源水能風(fēng)能生物質(zhì)能太陽能7世界主要經(jīng)濟(jì)體能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)1978-2020年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景能源結(jié)構(gòu)81958年3月17日第一個(gè)使用太陽能電池轉(zhuǎn)換效率9%路燈熱水器生產(chǎn)生活用電人造衛(wèi)星電池“柚子衛(wèi)星”太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景4、太陽能發(fā)電：94、太陽能發(fā)電：光-熱-電:效率低，成本高光-電：光伏效應(yīng)——太陽能電池硅太陽能電池

發(fā)展最成熟，應(yīng)用占主導(dǎo)地位。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景10石英砂精煉太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景晶硅生產(chǎn)流程單晶硅：硅的單晶體，基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體，用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。多晶硅：硅原子以金剛石晶格形式排列成多個(gè)晶核。晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，晶粒結(jié)合并結(jié)晶成多晶硅。單晶體多晶體11硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率技術(shù)特點(diǎn)性能特點(diǎn)發(fā)展方向單晶硅24.7%(實(shí)驗(yàn)室)15%(規(guī)模生產(chǎn))原料消耗大，技術(shù)成熟，工藝復(fù)雜，成本高轉(zhuǎn)換效率高，壽命長低成本多晶硅18%(實(shí)驗(yàn)室)10%(規(guī)模生產(chǎn))原料消耗少，成本較低轉(zhuǎn)換效率較高大面積，薄襯底非晶硅薄膜9%~13%工藝簡(jiǎn)單，原料充足，便于大規(guī)模生產(chǎn)，成本低重量輕，品種多，用途廣，轉(zhuǎn)換效率低穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換效率本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅和非晶硅太陽能電池的特性。硅太陽能電池太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)背景太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?xùn)練點(diǎn)了解能源現(xiàn)狀和可再生能源。學(xué)習(xí)并掌握太陽能電池的原理和應(yīng)用特點(diǎn)。了解太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀的基本使用方法，并會(huì)用該裝置測(cè)定太陽能電池特性。2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練點(diǎn)太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀的正確使用。用作圖法正確處理數(shù)據(jù)。1.實(shí)驗(yàn)任務(wù)12測(cè)量三種硅太陽能電池的暗伏安特性，開路電壓、短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系，以及輸出特性。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理1、硅太陽能電池工作原理

P+

N--------++++++PN結(jié)空間電荷區(qū)(擴(kuò)散)內(nèi)電場(chǎng)(漂移)

濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。1314太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理+電子空穴+吸收光子價(jià)帶導(dǎo)帶Eg光吸收光伏效應(yīng)示意圖1、硅太陽能電池工作原理152、性能參數(shù)(1)開路電壓open-circuitvoltage(UOC)：太陽能電池處于開路狀態(tài)時(shí)兩端電壓，即負(fù)載斷開時(shí)測(cè)得的最大電壓。(2)短路電流short-circuitcurrent(ISC)：太陽能電池處于短路狀態(tài)時(shí)流過的電流，即負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理16(3)輸出功率：太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。UOCU太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理17(4)填充因子FillFactor(F.F)，是太陽能電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。(1)一般的硅光電池F.F值在0.75~0.80之間。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax

。18(5)能量轉(zhuǎn)換效率PowerConversionEfficiency(ηs(%))：太陽能電池的最大輸出功率和入射光的功率之比。其中Il為光強(qiáng)，Sl為面積S1=50mm×50mm(2)太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)原理19太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)第二節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——拓展提高篇物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器主要實(shí)驗(yàn)儀器、器件：太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀光探頭、太陽能電池板碘鎢燈光源、遮光罩可變負(fù)載（電阻箱）導(dǎo)軌、滑動(dòng)支架、導(dǎo)線20太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器1、太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀213.電流表：測(cè)量輸入“電流輸入”接口的電流。1.電壓源輸出：為太陽能電池提供電壓。2.電壓/光強(qiáng)表：測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器2、光探頭、太陽能電池板22光探頭單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器3、碘鎢燈光源、遮光罩23儀器使用注意事項(xiàng)1.預(yù)熱光源時(shí)，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。2.光源工作及關(guān)閉后的約一小時(shí)內(nèi)，燈罩表面溫度很高，不要觸摸。碘鎢燈光源遮光罩太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器4、可變負(fù)載24電阻箱可變負(fù)載可變負(fù)載太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)儀器5、導(dǎo)軌、滑動(dòng)支架、導(dǎo)線25導(dǎo)軌、滑動(dòng)支架導(dǎo)線26太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)第三節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——拓展提高篇物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord1儀器檢查、記錄儀器不正常時(shí)調(diào)整觀察各儀器器件，狀態(tài)是否正常記錄儀器器件名稱，主要儀器的型號(hào)和主要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境參數(shù)2728太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量(1)合理布局各儀器器件，采用回路接線法按照電路圖連線。硅太陽能電池：接入“電壓源輸出”接口(2)初態(tài)設(shè)置，定性觀察。可變負(fù)載：50Ω，串聯(lián)(1)觀察硅太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀上的電壓表和電流表顯示是否正常(1)如有故障，分析解決并記錄。VA太陽能電池可調(diào)電壓源+_50?29太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord2硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量(3)硅太陽能電池遮光，電壓源從0V逐漸增大，每間隔0.3V測(cè)量電流。(4)“電壓源輸出”接口兩根連線互換，從0V開始逐漸增大反向電壓，每間隔1.0V測(cè)量電流。(5)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(表1)。(2)測(cè)量值(2)記錄電流值。電壓U(V)電流I(mA)單晶硅多晶硅非晶硅-7.0-6.0...-1.000.3...3.9表1三種硅太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量30太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量(1)打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。(2)合理布局各儀器器件，將光強(qiáng)探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接“光強(qiáng)輸入”接口。測(cè)試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測(cè)量”。(3)打開遮光罩，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)Il。(1)觀察太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀上的光強(qiáng)表顯示是否正常(2)測(cè)量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄光強(qiáng)值距離(cm)1520253035404550光強(qiáng)Il(W/m2)表2三種硅太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系31太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量(3)將光強(qiáng)探頭換成硅太陽能電池，測(cè)試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖A接線，按測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知），測(cè)量開路電壓值。按圖B接線，測(cè)量短路電流值。(2)測(cè)量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄電壓值和電流值V太陽能電池光圖A測(cè)量開路電壓A太陽能電池光圖B測(cè)量短路電流32太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord3開路電壓、短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量(4)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(表2)。(2)測(cè)量值(2)記錄電壓值和電流值距離(cm)1520...50光強(qiáng)Il(W/m2)單晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)多晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)非晶硅開路電壓UOC(V)短路電流ISC(mA)表2三種硅太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系33太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)(1)合理布局各儀器器件，按圖接線，可變負(fù)載作為太陽能電池負(fù)載。(2)一定光照強(qiáng)度下(將滑動(dòng)支架固定在導(dǎo)軌上某一位置(30cm)，從表2中查出對(duì)應(yīng)的光強(qiáng))，改變可變負(fù)載的電阻值，測(cè)量硅太陽能電池的輸出電壓U和電流I，并計(jì)算輸出功率Po=

U·I。(1)觀察太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀上的電壓表和電流表顯示是否正常(2)測(cè)量值(1)如有故障，分析解決并記錄。(2)記錄電壓值和電流值可變負(fù)載V太陽能電池光A34太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)內(nèi)容ObjectiveOperationObservationRecord4硅太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)(3)依次完成單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池的上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(表3)。(2)測(cè)量值(2)記錄電壓值和電流值單晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓U(V)00.20.4...1.6...輸出電流I(A)輸出功率PO(W)表3.9.3三種硅太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)(30cm)35數(shù)據(jù)處理要求太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)處理1.內(nèi)容要求(1)三組曲線：

①三種硅太陽能電池的暗伏安特性曲線(圖1)

②三種硅太陽能電池開路電壓和短路電流隨光強(qiáng)變化曲線(圖2)

③三種硅太陽能電池輸出伏安特性曲線及功率曲線(圖3)(2)比較圖3與圖2，找到最大功率點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負(fù)載。(3)根據(jù)式(1)和式(2)分別計(jì)算填充因子和轉(zhuǎn)換效率。2.作圖要求

①作圖可以手工在坐標(biāo)紙上作圖，也可以使用計(jì)算機(jī)軟件作圖。②作圖必須按照作圖要求，要素齊備，圖線符號(hào)和標(biāo)注規(guī)范。太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)—思考題思考提高(可在實(shí)驗(yàn)報(bào)告或數(shù)據(jù)報(bào)告選作)1.硅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？2.如何求得太陽能電池的最大輸出功率？最大輸出功率與它的最佳匹配電阻有什么關(guān)系？3.太陽能電池的光照特性（開路電壓和短路電流）與太陽能電池的入射光強(qiáng)符合什么函數(shù)關(guān)系？36太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)37//goomai/69818.html/doc/1270977-1344044.html/doc/7248095-7477326.html/doc/5797380-6010175.html/zhishiku/2021/0721/21344.html/learn/CSLG-1001753006?tid=1468720572#/learn/content?type=detail&id=1251218877&cid=1280145914/s?id=1