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世紀新型能源開發(fā)的重點課題。目前硅太陽能電池應用領域除人造衛(wèi)星和宇宙飛船外，已大量用于民用領域：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換為電能?！緦嶒災康摹? .在沒有光照時，太陽能電池主要結構為一個二極管，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，作出伏

2、安特性曲線圖，從圖中求得它的短路電流(|SC)、開路電壓(UOC)、最大輸出功率Pm及填充因子FF,FF=Pm/(IseUOC)。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/J。之間關系，畫出IscSC0SC與相對光強J/Jo之間的關系圖；測量開路電壓Uoc和相對光強度J/Jo之間的關系，畫出U0c與相對光強J/Jo之間的關系圖?！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的關系式為：1UI=Io*(e-1)(1)(1)式中，Io和P是常數(shù)。由半導體理論，二極管主要是由能隙為

3、EC-EV的半導體構成，如圖1所示。EC為圖1電子和空穴在電場的作用下產(chǎn)生光電流半導體導電帶，EV為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子會被半導體吸收,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,池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：Id為光照時通過太陽能電|RU-(I一匕一DR。=0sphdsh(2)式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出

4、電壓。由(1)式可得,RsU，、I(1+)=限-Id(3)RshRsh假定Rsh=8和Rs=0,太陽能電池可簡化為圖3所示電路。這里，I=6-Id=睢-Io(efU1)。在短路時，U=0,Iph=Isc；而在開路時，I=0,Isc-I0(e"oc-1)=0;scILi圖&太陽能電池的簡化電路圖1Isc一Uoc=-ln+1(4):Io(4)式即為在RSh=8和RS=0的情況下，太陽能電池的開路電壓Uoc和短路電流ISC的關系式。其中UOC為開路電壓，ISC為短路電流，而10、P是常數(shù)?！緦嶒炑b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

5、只（用戶自備）、白熾燈光源1只（射燈結構，功率40W）、光功率計（帶3V直】.白熾燈光源；工光功率計探頭;左暗盒（內(nèi)裝太陽能電池;4.光功率計數(shù)顯窗口總光功率計信號給入接口;6.直流穩(wěn)壓電源©V）輸出插座：工謂塊：出光具座舟軌）；9.亮米制度尺；in光學支架.圖4FIT36型太陽能特性窠驗儀實物照片及簡要說明流穩(wěn)壓電源）、導線若干、遮光罩1個、單刀雙擲開關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IU特性，用實驗測得的正向偏壓時IU關系數(shù)據(jù)，畫出IU曲線并求得常數(shù)P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

6、光源到太陽能電池距離保持為20cm。（1）畫出測量實驗線路圖。（2）測量太陽能電池在不同負載電阻下，I對U變化關系，畫出IU曲線圖。（3）用外推法求短路電流ISC和開路電壓U0c。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負載電阻。（5）計算填充因子FF=Pm/（Isc*Uoc）。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準光照強度，用光功率計測量該處的光照強度J。；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的關系。測量太陽能電池接收到相對光強度J/J0不同值時，相應的ISC和U的值。(1)描繪IS

7、C和相對光強度J/J0之間的關系曲線，求ISC和與相對光強J/J0之間近似關SCOSCO系函數(shù)。(2)描繪出Uoc和相對光強度J/Jo之間的關系曲線，求Uoc與相對光強度J/Jo之間近OCOOCO似函數(shù)關系?！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惻量表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(kfi)U1(V)U2(mV)I(NA)lnI若用戶備有03.

8、0V直流可調(diào)電源，則可采用圖6實驗線路：正向偏壓在03.0V變化條件下，用R=1000建固定電阻取代電阻箱(但電阻值必須準確，否則計算電流值時將有較大的誤差，把測量結果記錄到表肛尸Ur圖6全暗時太陽能電池在外加偏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)”A)由=e1,當U較大時，e&»1,即lnI=PU+lnI。由最小二乘法，將表中最后幾點數(shù)據(jù)處理得：求出：P,|0和相關系數(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的關系，測量電路請自

9、擬。把測量結果記錄到表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(C)5(V)I(mA)P(mW)R(C)Ui(V)I(mA)P(mW)200440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003 .測量太陽能電池|SC和U0c與相對光強J/J0的關系，用光強計測定不同光源距離時的SCOC

10、O光強值。短路電流可以直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。把測量結果記錄到表4中：表4太陽能電池ISC和U0c與相對光強J/J0的關系光源距離x(mm)J(mW)J/J0Isc(mA)Uoc(V)152023252729303132333435【實驗數(shù)據(jù)范例】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗收標準，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(kQ)U1(V)U2(mV)I(RA)InI42.612.510.4911.502.4430.152.590.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2

11、719.902.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.71圖-（?。┤登闆r下太陽能電池外加偏壓時的伏安特性曲線圖r(b)全暗情況下太陽靛電池外加偏壓時的伏安特性半對數(shù)曲線P=2.6361VI0=15.2X10'mA,相關系數(shù)r=0.9996,電流與電壓的指數(shù)關系得到驗證。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)0.010.391.402.533.464.16I&q

12、uot;)0.010.391.402.533.464.16U1(V)2.6012.6542.7272.7872.8532.928U2(mV)5.466.217.498.7910.4112.76I(M)5.466.217.498.7910.4112.76由L=e®-1,當U較大時，e»1,即lnI=Pu+lnI。由最小二乘法，將表210中最后6點數(shù)據(jù)處理得以下結果:P=2.60V，I。=6.28X10上mA,相關系數(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(C)UV)I(mA)P(mW)R(C)UV)I(mA)P(mW)2000.2251.1250

13、0.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.038414001.5911.13641.808170003.670.5

14、2431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.334780003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.07503.2358300003.880.12930.501830003.1

15、11.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.305834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.8012圖8在恒定光照下太陽能電池不加偏壓時的伏安特性曲線圖9恒定光強無偏壓時太陽能電池輸出

16、功率與負載電阻關系曲線表4太陽能電池ISC和U0c與相對光強J/J0的關系光源距離x(mm)J(mW)J/J。ISC(mA)Uoc(V)151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.9600.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.68330.4180.248960.493.65340.3320.197740

17、.413.59350.2370.141160.323.51圖10太陽能電池短路電流與相對光強的關系曲線圖圖11何太陽能電池開路電壓與相對光強的關系曲線從圖10和圖11中找出ISC及UOC與相對光強J/J0的近似函數(shù)關系為：Isc=A(J/Jo)(5)U“=BIJ/J。)C(6)利用最小二乘法擬合，得Isc=1.2855(J/J。)+0.1722,相關系數(shù)r=0.9985；UOc=0.2013In(J/Jo)+3.9207,相關系數(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U0c關系式(5)式和(6)式成立。UOfIV)F=0.2013工+3.920?r=0.99?3圖

18、U向太陽能電池開路電壓與相對光強關系的半對數(shù)曲線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注的全球性問題。為了經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護，人們正大量開發(fā)其它能源如水能、風能及太陽能的利用。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，意在提高學生對太陽能電池的特性的認識，學習研究太陽能電池的基本光電特性，學會電學與光學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，電壓與電流關系的經(jīng)驗公式。2