太阳能电池基本特性的测量

太阳能电池基本特性的测量

***，物理学系

摘要：

本实验旨在测量、验证太阳能电池的一系列物理特性。测量无光照条件下太阳能电池在正向偏压条件系下的伏安特性，推导并拟合了其特性曲线及发射系数，并试图用太阳能电池的理论模型来解释其伏安特性的分段性质。同时笔者还解释了在固定光强下太阳能电池的负载特性，推算出了1000lux下的填充因子。并且利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。最后，使用不同滤色片滤光并测量对应太阳能电池短路电流，从而推算其禁带宽度。

关键词：太阳能电池伏安特性发射系数填充因子禁带宽度

Measurement of the basic characteristics of solar cells

Yixiong Ke, Department of Physics

Abstarct：

This experiment is aimed to verify the basic characteristics of solar cells. The author have measured the voltage characteristic of the solar cell without any illumination. Based on these data, the author also have calculated the emission coefficient, and tried to explain the same physics nature under the different quality in divided section. In addition, the load characteristic and the filling factor of the solar cell, under fixed light intensity, has also been measured. Similarly, by measuring the electric properties with color filters and photometers, the forbidden band width of the solar cell has been calculated as well.

Key words: solar cells voltage characteristic emission coefficient filling factor forbidden band width

一、引言

太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等诸多优点。由于可以直接利用太阳光产生电能，它从其概念诞生以来就一直受到了热切的关注。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功，虽然器件只有1%的效率。

而今太阳能电池的转换效率被一次次地刷新，用途也在不断拓展。除了利用太阳能直接发电，它还可以用作为光信号探测器，在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。因此对于其工作性能的了解有着重要意义。

二、实验原理

1.太阳能电池的主要结构为PN结。根据理论分析，PN结正向偏压下的伏安特性可由下式给出

I d=I0(e

eV

nkT−1)

式中，I d为流过PN结的电流，I0是无光照时的反向饱和电流，V是PN结上的电压，e是电子电荷，k是玻尔兹曼常量，T为热力学温度，n为发射系数，它与PN结的材料结构有关系，其值在1和2之间。

太阳能电池的理论模型是由一理想电流源、一个理想PN

结、一个并联电阻R sℎ与一个电阻R s所组成，如图1所示。

其中R sℎ为体电阻、R s为接触电阻。

由基尔霍夫定律得：IR s+(I−I d)R sℎ−U=0(2)

代入（1）式可得U+R sℎI0(e qU

nkT−1)=I(R s+R sℎ)（3）

有光照的，太阳能电池直流模型。

由基尔霍夫定律得：

IR s−(I pℎ−I d−I)R sℎ+U=0(4)

R sℎ为漏电流的等效电阻，对于小面积的太阳能电池R sℎ的典型值为103Ω~106Ω对于硅太阳能电池一般有R s

R sℎ

≪1（5）

U趋于0V时，有I=I pℎ−U+IR s

R sℎ≈(1+R s

R sℎ

)

−1

(I pℎ−U

R sℎ

)=I pℎ−U

R sℎ

=I sc−U

R sℎ

（6）

（1）

可见，只要的U 趋于0V 的伏安特性曲线即可估算R sℎ的值。

2.当光照射在太阳能电池表面的PN 结上时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则光子将被太阳能电池吸收而产生电子-空穴对。以恒定速率产生的电子-空穴对提供了通过结的电流。太阳能电池输出的净电流I 是光生电流I Ph 和两极管电流I d 之差，即

I =I Pℎ−I d =I Pℎ−

I 0(e eV

nkT

−1)

当太阳能电池的输出端短路时，即V = 0，由上式可得到短路电流I sc = I Ph ; 当太阳

能电池的输出端开路时，即I = 0，可测得开路电压U oc 。正常运行时，I Ph 比I 0高几个数量级，因此上式中的1可以忽略。

3.填充因子FF 是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，其可表示为太阳能电池的最大输出功率P max 和U oc 与I sc 之积的比，即

FF =

P max

U oc I sc

其中U oc 为太阳能电池的开路电压，I sc 为太阳能电池的短路电流。

4.能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以使太阳能电池产生光电流，其大小为

I Pℎ

∝∫K (λ)dλλ0

λc ∝∫H (λ)S (λ)λ0

λc dλ∝∫T c (λ)I 0

(λ)I 0′(λ

)I s (λ)r (λ,T )dλλ0λc

其中λc 为滤色片截止波长，λ0为禁带宽度对应波长，N (λ)为波长为λ的入射光子数，H (λ)为光谱仪测得的光强分布，S (λ)为光谱仪的响应函数，T c (λ)为滤色片的透射光谱，

I 0(λ)为光谱仪原配白炽灯光谱，I 0′(λ)为照射太阳能电池的白炽灯光谱，r (λ,T )为光谱功

率分布，可由普朗克公式给出，I s (λ)为测定响应函数时的光强分布。

三、

实验装置及过程

1. 将万用表直接连在太阳能电池的两端，粗略测量太阳能电池的开路电压U oc 和短路电流I sc ，以确定后续测量时的注意事项。

（7）

（8）

（9）