实验十九太阳能电池特性测试

实验十九太阳能电池特性测试
太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如：生物质能、风能、水能等都来自太阳能。

利用太阳能发电方式有两种:一种是光—热－电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。

其中，光-电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光－电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池根据所用材料的不同可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。

其中,硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但单晶硅成本价格高.多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池.非晶硅薄膜太阳能电池成本低,重量轻,转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高,直接影响了实际应用。

太阳能电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、通信、家电以及公用设施等部门,尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。

目前,中国已成为全球主要的太阳能电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

一、实验目的
1。

熟悉太阳能电池的工作原理；
２．太阳能电池光电特性测量.
二、实验原理
（１）太阳能电池板结构
以硅太阳能电池为例:结构示意图如图1.硅
太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PＮ
结经串联、并联构成,在N型材料层面上制作金
属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为
接触电极,这样就形成了太阳能电池板.为了减
小光的反射损失,一般在表面覆盖一层减反射
图１太阳能电池板结构示意图
膜.
(2)光伏效应
当—N 结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空
穴,在内建静电场的作用下,各向相反方向运动,离开耗尽区,结果使P区电势升高，
N区电势降低,Ｐ－Ｎ结两端形成光生电动势，这就是Ｐ－N结的光生伏特效应.
(3）太阳能电池的特性参数
太阳能电池工作原理基于光伏效应．当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收的光子的能量转化为电能。

在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管，其正向偏压U 与通过的电流I 的关系为
)1(0-=nKT qV e I I ( 1 )
0I 是二极管的反向饱和电流,n 称为理想系数，是表示PN 结特性的参数,通常为1。

K 是波尔兹曼常数，q 为电子的电荷量，T 为热力学温度。

(可令nKT q =
β） 当太阳能电池短路时,我们可以得到短路电流为I SC ，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为U OC 。

当太阳能电池接上负载R 时,所得到的负载U —Ｉ特性曲线如（图二）所示,负载R 可从零至无穷大，当负载为Ｒm 时，太阳能电池的输出功率最大,它对应的最大功率为P m :
P m =I m ×U m （ 2 ）
上式中I m 和Ｕm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将V o ｃ与I sc 的乘积与最大输出功率P m 之比定义为填充因子ＦF:
SC OC m m SC OC m I U I U I U P FF == ( 3 )
FF 为太阳能电池的重要特性参数，F Ｆ越大则输出功率越高。

FF 取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能P ｉn 之比，即
%100⨯=in
m P P η ( 4 ） 图2 太阳能电池的伏-安特性曲线
三、实验仪器及用具
TH ＱT Ｎ－1型 太阳能电池特性测试实验仪.
四、实验内容与步骤
(1）测量太阳能电池无光照时的伏安特性(直流偏压从0～2V ）
连接测量电路如图３所示:
图3
利用测得的正向偏压时I-Ｕ关系数据,画出Ｉ—U 曲线。

(2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性(4片串联负载特性更明显）。

连接测量电路如图3所示:注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm 之后.
图4
(a)测量短路电流SC I 、开路电压OC U 和入射光强J 。

（ｂ）测量电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出U I -曲线图。

（c ）求太阳能电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。

(ｄ）计算填充因子：SC OC m I U P FF =
（e)计算转换效率:%100⨯=in
m P P η (３)电池的串联和并联
电池串联输出电流不变，电压相加。

电池并联输出电压不变，电流相加. 数据处理
光功率P in 为单位面积的入射光强J ×太阳能电池有效面积;
本实验仪所用太阳能电池单片有效面积为20６0mm 2；
表格自拟。

五、实验思考与讨论
1. 什么是光伏效应？
2. 太阳能电池的工作原理及应用.
3. 太阳能电池特性测试应注意哪些问题?
参考文献
1． ―北京：科学出版社,1９87
2． 桑野幸德著；钟伯强，马英仁译. 太阳电池及其应用―北京：科学出版社,1990
3． 杨德仁 编著。

太阳电池材料――电池材料与应用系列． 化学工业出版社，
２007。