太阳能电池伏安特性曲线的测定

太阳能电池伏安特性曲线的测定
光信息科学与技术
摘要：本文将太阳能电池简化为一二极管与一电流源并联，通过测量其无光照时的伏安曲线以及其一定光照下的短路电流以及开路电压并计算样品的填充因子，了解太阳能电池基本特性。

关键字：太阳能电池 伏安特性曲线 短路电流 开路电压 填充因子
引言：
太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。

目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。

利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。

太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。

为此，我们通过对太阳能电池的电学性质进行测量增进我们对太阳能电池的了解。

原理简述：
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
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=10nKT qU e I I (1) 其中0I 是二极管的反向饱和电流,n 是理想二极管参数,理论值为1。

K 是玻尔兹曼常量,q 为电子的电荷量,T 为热力学温度。

（可令nKT
q
=β
）
由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为V C E E -的半导体所构成。

C E 为半导体导电带，V E 为半导体价电带。

当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸收，并产生电子-空穴对。

电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。

光电流示意图
太阳能电池的基本技术参数除短路电流SC I 和开路电压OC U 外, 还有最大输出功率max P 和填充因子FF 。

最大输出功率max P 也就是IU 的最大值。

填充因子FF 定义为
OC
SC U I P FF max
=
(2)
FF 是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。

FF 值越大,说明太阳能电池对光的利
用率越高。

假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图2所示。

图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。

由基尔霍夫定律得：
0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ （2）
（2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。

由（1）式可得，
d sh
ph sh s I R U
I )R R 1(I --=+
（3） 假定∞=sh R 和0R s =，太阳能电池可简化为图3所示电
路。

这里，)1e
(I I I I I U
0ph d ph --=-=β。

在短路时，0U =，sc ph I I =；
而在开路时，0I =，0)1e (I I oc U
0sc =--β；
∴]1I I ln[1U 0
sc
OC
+β=
（4） （4）式即为在∞=Sh R 和0R S =的情况下，太阳能电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。

其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。

1.无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线
在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I 和太阳能电池的输出电压U 。

测量电路如图所示；
由
1e I I
U 0
-=β，当U 较大时，1e U >>β，即0I ln U I ln +β=由最小二乘法，将表中数据处理求出: β,0I 和相关系数r 值 。

2.测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率max P 及填充因子FF 不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离cm 20，测量太阳能电池的输出I 对太阳能电池的输出电压U 的关系，测量电路如图所示；
数据记录及处理：
全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
U1(V) 0.700 1.200 1.511 1.804 1.919 2.155 2.244 2.307 U2(mV) 20.5 56.1 97.6 162.3 199.9 303.3 356.2 399.4 I(μA) 20.5 56.1 97.6 162.3 199.9 303.3 356.2 399.4 U1(V)
2.351
2.412 2.423 2.457 2.468 2.473 2.481 2.486 U2(mV) 432.6 482.9 492.7 524.6 532.1 541.3 549.6 55
3.8 I(μA)
432.6
482.9
492.7
524.6
532.1
541.3
549.6
553.8
由
1e I I
U 0
-=β，当u 较大时，1e U >>β，即得0I ln U I ln +β=，使用matlab 进行最小二乘法拟合，将表中后8-16点数据处理得以下结果： β =1.8223 1/V ,0I =5.9611μA 相关系数r =0.9463
全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性曲线
恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录
)
(R Ω )V (U 1
)mA (I )mW (P
)
(R Ω )V (U 1
)mA (I )mW (P
200 0.5575 2.75 1.53312 4400 2.971 0.67 1.99057 300 0.8300 2.74 2.2742 4600 2.971 0.64 1.90144 400 1.0970 2.72 2.98384 4800 2.978 0.62 1.84636 600 1.6190 2.66 4.30654 5000 2.984 0.60 1.7904 800 1.9760 2.50 4.94 5500 2.996 0.54 1.61784 1000 2.283 2.27 5.18241 6000 3.005 0.50 1.5025 1200 2.463 2.04 5.02452 6500 3.013 0.46 1.38598 1400 2.583 1.84 4.75272 7000 3.018 0.43 1.29774 1600 2.668 1.66 4.42888 7500 3.021 0.40 1.2084 1800
2.726
1.51
4.11626
8000
3.028
0.37
1.12036
2000 2.776 1.38 3.83088 8500 3.033 0.36 1.09188 2200 2.816 1.27 3.57632 9000 3.037 0.34 1.03258 2400 2.831 1.18 3.34058 10000 3.043 0.30 0.9129 2600 2.862 1.10 3.1482 20000 3.073 0.15 0.46095 2800 2.885 1.03 2.97155 30000 3.082 0.10 0.3082 3000 2.902 0.90 2.6118 40000 3.087 0.07 0.21609 3200 2.917 0.91 2.65447 50000 3.092 0.06 0.18552 3400 2.928 0.86 2.51808 60000 3.094 0.05 0.1547 3600 2.939 0.81 2.38059 70000 3.096 0.04 0.12384 3800 2.948 0.77 2.26996 80000 3.098 0.03 0.09294 4000 2.957 0.73 2.15861 90000 3.099 0.03 0.09297
4200 2.963
0.70
2.0741
恒定光照下太阳能电池无偏压时伏安特性曲线
恒定光照下太阳能电池无偏压时输出功率与负载电阻关系
通过最小二乘法拟合曲线得出U=0时，短路电流SC I =2.8731mA ，最大输出功率
U I /(P FF [OC SC m •==5.1824mW,利用公式]1I I ln[1U 0
sc
OC +β=
以及第一问求得的0I ，β得OC U =3.3912V 得出填充因子FF=0.5318
误差分析：
系统误差：电流表与电压表内阻以及导线内阻接触电阻对实验的影响，最小二乘法拟合中对0I 的忽略导致的误差，因为导线的接入导致遮光罩没有完全密封，万用表自身精度有限。

随机误差：万用表读数不稳定，实验台面有微小振动导致光强并不恒定，光源自身功率并非绝对恒定造成的误差。

结束语：
综上所述太阳能电池的填充因子FF远小于理论上的最大值1，证明太阳能电池制造工艺和结构上尚还有提升空间；就实验本身而言，所得数据数值不大，在电路中直接串联电流表测电流对实验数据可能有一定影响，在电路设计方面还可以进一步改进，最后要感谢电磁二室的实验老师实验前对我们的指导，以及在实验中给我们的帮助和对我们的疑问进行的解答。

参考文献：
[1]杭州精科仪器有限公司. 太阳能电池特性实验仪说明书
[2]苗建勋，李水泉，石发旺，曹万民，武金楼.太阳能电池基本特性研究.《大学物理实验》1996年第04期
[3]茅倾青太阳能电池基本特性测定实验.《物理实验》,2004 .。