太陽能電池基本特性的測量(講義)

1、太陽能電池基本特性的測量太陽能的利用和太陽能電池特性研究是21世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點課題。目前硅太陽能電池應(yīng)用領(lǐng)域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已大量用于民用領(lǐng)域：如太陽能汽車、太陽 能游艇、太陽能收音機、太陽能計算機、太陽能鄉(xiāng)村電站等。太陽能是一種清潔、“綠色”能源，因此，世界各國十分重視對太陽能電池的研究和利用。本實驗的目的主要是探討太 陽能電池的基本特性，太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電能?！緦嶒?zāi)康摹? .在沒有光照時，太陽能電池主要結(jié)構(gòu)為一個二極管，測量該二極管在正向偏壓時的伏 安特性曲線，并求得電壓和電流關(guān)系的經(jīng)驗公式。2 .測量太陽能電池在光照時的輸出伏安特性，

2、作出伏安特性曲線圖，從圖中求得它的短路電流(Isc)、開路電壓(Uoc)、最大輸出功率Pm及填充因子FF,FF Pm /(Isc ? u oc )。填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。3 .測量太陽能電池的光照特性：測量短路電流ISC和相對光強度J/J0之間關(guān)系，畫出ISC與相對光強J/Jo之間的關(guān)系圖；測量開路電壓Uoc和相對光強度J/Jo之間的關(guān)系，畫出Uoc與相對光強J/Jo之間的關(guān)系圖?！緦嶒炘怼刻柲茈姵卦跊]有光照時其特性可視為一個二極管，在沒有光照時其正向偏壓 u與通過電流I的關(guān)系式為：I Io?(eu 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

3、EC EV的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。EC為圖1電子和空穴在曲場的作用下產(chǎn)生光申濟(jì)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶，Ev為半導(dǎo)體價電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時，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。假設(shè)太陽能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)、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻 Rsh與一個電阻Rs所組成，如圖2所示。圖2太陽能電池的理論模型電路圖圖2中，1成為太陽能電池在光照時的等效電源輸出電流,Id為光照時通過太陽能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得:IRs U (1前 Id 1凡 0(2)(2)式中，I為太陽能電池的輸出電流,U為

4、輸出電壓。由(1)式可得,RsUI(1 ) I ph Id (3)RshRsh假定Rsh和Rs0,太陽能電池可簡化為圖3所示電路。這里，I Iph Id Iph I0(eU 1)。在短路時，U 0, Iph Isc；而在開路時，I0，Isc I0(eUoc 1)0；圖？太陽能電池的簡化電路圖1 I scUoc Tn廣 1(4)(4)式即為在RShI 0和Rs 0的情況下，太陽能電池的開路電壓U oc和短路電流是常數(shù)。Isc的關(guān)系式。其中Uoc為開路電壓，Isc為短路電流，而Io【實驗裝置】光具座及滑塊座、具有引出接線的盒裝太陽能電池、數(shù)字萬用表1只（用戶自備）、電阻箱1只（用戶自備）、白熾燈光

5、源1只（射燈結(jié)構(gòu)，功率 40W）、光功率計（帶3V直1.白照燈光耀；工光功率計探頭;前喑/泄裝太Z能電池見光功率計敷顯窗由亂光功率計信號歲入接口；6.宜道穩(wěn)壓電駕儀環(huán)雉出座；工沼映；乩先其星專軌）；9.軍來劃渡兄;1口.光學(xué)玄典.圖4 rp-36型太陽蓋特性玄聆儀實物照片及簡要說明流穩(wěn)壓電源）、導(dǎo)線若干、遮光罩 1個、單刀雙擲開關(guān)1個?！緦嶒瀮?nèi)容】1 .在沒有光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池施加正向偏壓時的I U特性，用實驗 測得的正向偏壓時I u關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出I U曲線并求得常數(shù) 和I0的值。2 .在不加偏壓時，用白色光源照射，測量太陽能電池一些特性。注意此時光源到太陽能電池距離保持為2

6、0cm。（1）畫出測量實驗線路圖。（2）測量太陽能電池在不同負(fù)載電阻下，I對u變化關(guān)系，畫出I U曲線圖。（3）用外推法求短路電流ISC和開路電壓U oc。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負(fù)載電阻。（5）計算填充因子FF Pm/（Isc?U）。3 .測量太陽能電池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白熾燈光源 20cm水平距離光強作為標(biāo)準(zhǔn)光照強度，用光功率計測量該處的光照強度J0；改變太陽能電池到光源的距離x,用光功率計測量x處的光照強度J,求光強J與位置x的關(guān)系。測量太陽能電池接收到相對光強度J/J0不同 值時，相應(yīng)的Isc和Uoc的值。(1)描繪Isc和相對光強度J/

7、Jo之間的關(guān)系曲線，求Isc和與相對光強J/J。之間近似關(guān) 系函數(shù)。(2)描繪出Uoc和相對光強度J/Jo之間的關(guān)系曲線，求Uoc與相對光強度J/J。之間近 似函數(shù)關(guān)系?！緦嶒灁?shù)據(jù)表格】1 .在全暗的情況下，測量太陽能電池正向偏壓下流過太陽能電池的電流I和太陽能電池的輸出電壓U 。測量電路如圖5所示，改變電阻箱的阻值，用萬用表量出各種阻值下太陽 能電池和電阻箱兩端的電壓，算出電流測量結(jié)果如表1所示：圖5全暗時太陽能電池在外加偏壓時的伏安特性測量表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄R(k )U1(V)U2(mV )I( A)In I若用戶備有0 3.0V直流可調(diào)電源，則可采用圖6

8、實驗線路：正向偏壓在03.0V變化條件下，用 R 1000固定電阻取代電阻箱(但電阻值必須準(zhǔn)確，否則計算電流值時將有較大的誤差，把測量結(jié)果記錄到表2中12巧=。圖6全喑時太陽能電池在外加保壓時的伏安特性測量電路之二表2全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄Ui(V)U2(mV )I( A)由L e U 1 ,當(dāng)U較大時，e U 1 ,即ln I U lnlo由最小二乘法，將表中最后I 0幾點數(shù)據(jù)處理得：求出：，I0和相關(guān)系數(shù)r值。2 .不加偏壓，在使用遮光罩條件下，保持白光源到太陽能電池距離20cm ,測量太陽能電池的輸出I對太陽能電池白輸出電壓 U的關(guān)系，測量電路請自擬 。把測量結(jié)

9、果記錄到表 3。表3恒定光照下太陽能電池在不加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄R()5(V)I(mA)P( mW)R()3(V)I(mA)P(mW)200440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003 .測量太陽能電池Isc和Uoc與相對光強J/Jo的關(guān)系，用光強計測定不同光源距離時的光強值。短路電流可以直

10、接用萬用表的直流電流檔量出，開路電壓則直接用萬用表的直流電壓檔量出。把測量結(jié)果記錄到表4中：表4太陽能電池1sC和Uoc與相對光強J/J0的關(guān)系光源距離x(mm)J(mW)J/J0I sc (mA)Uoc(V)152023252729303132333435【實驗數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實驗時參考） 表1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄R(k )U1(V)U2(mV )I( A)ln I42.612.510.4911.502.4430.152.590.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2719.902

11、.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.712.42. 62.833.2圖. G）全暗情況下太陽能電池外加偏壓時的伏安特性曲線圖 (h)全暗情況下太陽能電池外加偏壓時的伏安特性半對數(shù)曲線2.6361V 1, Io 15.2 10 6mA ,相關(guān)系數(shù)r 0.9996,電流與電壓的指數(shù)關(guān)系得 到驗證。表2全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄U1(V)0.4001.4982.0342.2862.4102.488U2(mV )0.010.391.402.533.

12、464.16I( A)0.010.391.402.533.464.163(V)2.6012.6542.7272.7872.8532.928U2(mV )5.466.217.498.7910.4112.76I( A)5.466.217.498.7910.4112.76由L e U 1 ,當(dāng)U較大時，e U 1 ,即ln I U ln 10由最小二乘法，將表 2 10中最后6點數(shù)據(jù)處理得以下結(jié)果：2.60V 1, Io 6.28 10 6mA ,相關(guān)系數(shù) r 0.9998。表3 恒定光照下太陽能電池在無偏壓時伏安特性數(shù)據(jù)記錄R()5(V)I(mA)P( mW)R()3(V)I(mA)P(mW)20

13、00.2251.12500.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.038414001.5911.13641.808

14、170003.670.52431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.334780003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.07503.2358300003.880.12930

15、.501830003.111.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.305834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.8012圖x在恒定光照F太陽能電池不加偏壓時的伏安特性曲線圖9恒定光

16、強無偏壓時太陽能電池輸出功率與負(fù)載電阻關(guān)系曲城表4太陽能電池Isc和Uoc與相對光強J/Jo的關(guān)系光源距離x(mm)J(mW)J/J0I sc (mA)Uoc(V)151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.9600.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.68330.4180.248960.493.653

17、40.3320.197740.413.59350.2370.141160.323.51圖10太陽能電池短路電流與相對光強的關(guān)系曲線圖U太陽能電池開路電壓與相對光強的關(guān)系曲線從圖10和圖11中找出Isc及Uoc與相對光強J/Jo的近似函數(shù)關(guān)系為：Isc A(J/Jo)(5)Uoc BIn(J/Jo) C (6)利用最小二乘法擬合，得ISC 1.2855(J/J0) 0.1722,相關(guān)系數(shù)r 0.9985；Uoc 0.20131n(J/Jo) 3.9207,相關(guān)系數(shù)r 0.9973 。從最小二乘法擬合中，可知對短路電流Isc和開路電壓Uoc關(guān)系式(5)式和(6)式成立。圖11向太陽能電池開路電壓與

18、相對光強關(guān)系的拳對數(shù)曲結(jié)FB736型太陽能電池特性實驗儀使用說明書一.概述：能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然氣等主要能源的大量消耗，能源危機已 成為世人關(guān)注的全球性問題。為了經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)，人們正大量開發(fā)其它能源如 水能、風(fēng)能及太陽能的利用。其中以硅太陽能電池作為綠色能源其開發(fā)和利用大有發(fā)展前 景。本儀器提供的實驗，意在提高學(xué)生對太陽能電池的特性的認(rèn)識，學(xué)習(xí)研究太陽能電池 的基本光電特性，學(xué)會電學(xué)與光學(xué)的一些重要實驗方法及數(shù)據(jù)處理方法?？捎帽緝x器做下 列實驗：1 .在沒有光照時，太陽能電池作為一個二極器件（類似二極管），測量在正向偏壓時該二極器件的伏安特性曲線，并求出其正向偏壓時，電壓與電流關(guān)系的經(jīng)驗公式。2 .測量太陽能