太阳能电池基本特性实验讲义

太阳能电池基本特性测定

目前人类所消耗的能源的70％来自煤、石油、天然气等化石燃料，在现有技术条件下，化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害，使人类生存空间受到了极大的威胁。科学家预言，尽管化石燃料能源未来仍将占有相当大比重，但其一统天下的局面将逐渐结束（地球上２亿年形成的化石燃料，大体只够人类使用300余年），可再生的清洁能源可望撑起未来世界能源供给的半壁江山。

太阳能的利用和研究是21世纪新型能源开发的重点课题之一。太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源。因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。

一、实验目的

1、学习掌握硅光电池的工作原理。

2、学习掌握硅光电池的基本特性及其测试方法。

3、了解硅光电池的基本应用。

二、实验仪器

1.光功率计

2.测试仪

3.光源

4.光电二极管（用专用连接线与光功率计相连接）

5.样品架（用于放置光电二极管传感器，以及待测太阳能电池样品，含遮光罩）

6. 导轨

7.单晶硅样品 7.多晶硅样品

图1 太阳能电池特性测试仪

1、太阳能电池:单晶硅和多晶硅各1块：60×60mm 2，有效面积50×45mm 2

，开路电压不低于4V ，闭路电流不小于15mA ；2、光功率计:三位半数显，量程200uw 、2mw 和20mW 三档，数字按键档位切换；光功率计传感器采用高灵敏度光电二极管；3、精密电阻负载：0～99999.9Ω；4、测试仪:电压表：2.000V 和20.00V 两档；电流表：2.000mA 和200.0mA 两档；0-5V 可调直流电源，带限流输出功能；5、光源功率：100W ；6、导轨：长75cm ；

三、实验原理

太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：

)1(-=U

o e

I I β (1)

(1)式中，Ｉ为通过二极管的电流，o I 和β是常数，o I 为反向饱和电流。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。E C 为半导体电带，E V 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的

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R Sh 与一个电阻R S 所组成，如图3所示。

图3中，I Ph 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，I d 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：

0)(=---+sh d ph s R I I I U IR (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 I --=+

)1( (3)

假定R Sh =∞和R S =0，太阳能电池可简化为图4所示电路。这里，

)1(0--=-=U ph d ph e I I I I I β。在短路时，U ＝0，sc ph I I =；而在开路时，I ＝0，

0)1(0=--oc U sc e I I β；所以

]1l n [1

+=

I I U sc OC β (4) （4）式即为在R Sh =∞和R S =0的情况下，太阳能电池的开路电压U OC 和短路电流I SC 的关系式。其中U OC 为开路电压，I SC 为短路电流，而0I 、β是常数。

当太阳能电池接上负载时，负载R 从零变到无穷大的过程中，使太阳能电 池达到最大输出功率 m m m I P U =时，式中m I 和m U 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将m P 与I SC 和OC U 的乘积之比定义为填充因子FF ，

m

sc oc

P FF I U =

(5) 填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参, FF 越大则输出功率越高。

四、 实验内容与步骤

1、硅光电池伏安特性测量。

在没有光照（全暗，即用遮光罩罩住样品）的条件下，测量太阳能电池正 向偏压时的U －I 特性（直流偏压从0～3.0V ）。画出U-I 曲线，求出β和0I 。

测量电路如图5所示，注意不要正负极性接错（D 代表太阳能电池，R=1000

Ω为负载电阻，ε为可调直流电压源）。正向偏压从0～3.0V 条件下，测量结果记录在数据表格1中。

2、硅光电池负载特性测试。

在不加偏压时，用光源照射，保持白光源到太阳能电池距离20cm ，测量电

池在不同负载电阻下太阳能电池的输出I 与输出电压U 特性。测量结果记录在原始数据表格2中。

3、太阳能电池的光照效应与光电性质测量。

取太阳能电池与白光源水平距离20cm 为起始位置，用光功率计测量该处的光功率P 0，光强度为标准强度J 0；改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量X 处的光功率P ，光强度为J ，光的相对强度为J/ J 0，也即P/P 0，可以得到光功率P 与位置X 的关系。测量太阳能电池在不同光功率条件下对应应的I SC 和U OC 的值。测量结果记录在数据表格3中。

五、实验数据记录与处理

1. 硅光电池伏安特性测量。画出U-I 曲线，利用最小二乘法求出 和0I 。 表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压U 1(V)时的伏安特性测量（R=1000Ω）