太陽能電池——大學物理實驗

1、太陽能電池特性的測量太陽能電池特性的測量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，新能源利用迫在眉睫。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽電池可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴大，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

2、合物太陽能電池，有機太陽能電池等。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。本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?學習太陽能電池的發(fā)電的原理2了解太陽電池測量原理3對太陽電池特性進行測量實驗原理實驗原理太陽能電池利用半導(dǎo)體PN結(jié)受光照射時的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面PN結(jié)，圖1為PN結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當數(shù)量的

3、自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成PN結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在PN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散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過PN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)。當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對

4、，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電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將PN結(jié)兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實線所示。負載電阻為零時測得的最大電流ISC稱為短路電流。負載斷開時測得的最大電壓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。

5、同樣的電池及光照條件，負載電阻大小不一樣時，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標，輸出功率為縱坐標，繪出的PV曲線如圖2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N勢壘電場方向空間電荷區(qū)P圖1半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖輸出電流IPmax（輸出功率）ISCVOC輸出電壓V圖2太陽能電池的輸出特性射到太陽能電池上的光強，具體數(shù)值由光強探頭測量。測試儀為實驗提供電源，同時可以測量并顯示電流、電壓、以及光強的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～

6、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。電壓光強表：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“光強輸入”接口的光強探頭測量到的光強數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光強量程”，可以選擇適當?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?shù)娘@示范圍。實驗內(nèi)容與步驟實驗內(nèi)容與步驟1硅太陽能電池的暗伏安特性測量硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏

7、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。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個大面積平面PN結(jié)，單個太陽能電池單元的PN結(jié)面積已遠大于普通的二極管。在實際應(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)及組成組件時的串并連關(guān)系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅多晶硅，非晶硅太陽能電

8、池組件在無光照時的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖5所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進電路起保護作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流。圖5伏安特性測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0.3V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，