太阳能电池特性测试仪(1)

DJL-OE-II型太阳能电池特性测试仪产品说明与实验指导书
西安超凡光电设备有限公
DJL-OE-II 型太阳能电池特性测试仪
随着煤、石油、天然气等化石能源的大量消耗，能源短缺和环境污染已成为人类面临的重要危机。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的洁净能源，对太阳能的充分利用是解决人类能源危机最具前景的途径之一。

太阳能电池就是通过半导体的内光电效应直接把光能转化成电能的装置。

目前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。

利用本仪器可以开展针对太阳能电池基本光电特性的综合性普通物理教学实验项目，实验内容和仪器本身都具有一定的新颖性和实用性，对掌握太阳能电池相关知识，激发学生学习兴趣，培养分析和解决实际问题的能力，以及环保节能的人文思想熏陶都大有裨益。

[实验目的]
测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；
测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率m P 及填充因子FF ；
测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 与相对光强0
J J
的关系，求出它们的近似函数关系；
[实验原理]
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。

这一能量转换过程是利用半导体P-N 结的光伏效应（Photovoltaic Effect ）进行的。

在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：
)1()1(-=-=U o nkT
qU o e I e
I I β (1)
其中，I 、U 为P-N 结二极管的电流及电压，k 为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K ），q 为电子电荷量（1.602×10-19库仑），T 为绝对温度，o I 是二极管的反向饱和电流, n 是理想二极管参数，nkT
q
=
β。

由半导体理论知,二极管主要是由如图1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。

因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样，并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能。

当光子所携带的能量大于禁带能量时，光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N 型区移动，空穴向P 型区移动，这样，N 区有很多电子，P 区有很多空穴，在P-N 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使P 区带正电，N 区带负电，于是在N 区与P 区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光伏效应”。

若光子所携带得能量小于禁带能量时，就对太阳能电池而言并没有什么作用，不会产生任何的电流。

在太阳光照射到太阳能电池产生电子-空穴对的同时，也会有部份的能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。

图1. 太阳能电池光电转换机理示意图
如果太阳能电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N 结分开的电子和空穴，全部积累在P-N 结附近，于是出现了最大光生电动势，其数值即为开路电压（OC U ）。

如果把太阳能电池短路，即回路负载电阻为零，则所有P-N 结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流（SC I ）。

太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N 结的大面积的等效二极管，因此可以建立一个等效理论模型来分析其工作特性，假设太阳能电池为一个理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管所和一个电阻sh R 并联，并串有一个电阻s R 的等效电路，如图2所示。

I ph
I d
I ph -I d
R s
R sh
I R L
+-U 图中，ph I 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，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：
0)(=---+sh d ph s R I I I U IR （2）
I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。

可以得到：
d sh
ph sh s I R U I R R I --=+
)1( （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，则太阳能电池可简化为图3所示电路。

图3. 太阳能电池理论模型的简化等效电路
这里，)1(0--=-=U ph d ph e I I I I I β。

那么，
在短路时：U ＝0，sc ph I I =；在开路时，I ＝0，0)1(0=--oc U
ph e I I β；则：
]1ln[
1
+=
I I U ph OC β
（4）
（4）式即为在∞=sh R 和0=s R 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。

[实验系统主要结构及技术指标]
1．光具座及滑块座：均为铝合金材质，燕尾形偶合结构，标尺长50.0cm 。

2．太阳能电池盒。

3．光源：25W 白炽灯。

4．DJL-OE-II 型太阳能电池特性测试仪：含3位半数字电压表0－2V ，内阻100K ；3位半数字电流表0－20mA ，内阻10Ω；直流稳压电源0－5V 连续可调。

5．数字式光功率计，量程为0—20mW 和0－100mW 二档。

6．遮光光阑（带φ6mm 孔）1个，遮光盖1个。

7．电阻箱：0~99999.9Ω
[实验内容]
１．无光照（全黑）条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I －U 特性
按照图4所示方法安排实验仪器，盖上遮光盖，依次改变电源电压，通过电流表和电
压表分别测得实验数据，画出I －U 曲线，并求得常数β和0I 值。

2．在不加偏压时，测量太阳能电池在光照时的输出特性
按照图5所示方法安排实验仪器，打开遮光盖。

保持一定距离（例如用光功率计测量光功率1mW 处），用白炽灯照射，测量电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出I
－U 曲线图，并进行曲线拟合,求出在此光照条件下太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压
OC U 以及最大输出功率m P 、填充因子）
（OC
SC U I P FF max
=。

3.测量太阳能电池的光照效应与光电性质。

将光功率计置于导轨上，测量白炽灯的光照强度，取光电池在测量值为1mW 处位置的光照强度作为标准光照强度0J ，改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量光照强度J （光功率计探头线直接与太阳能电池相对接）。

测量太阳能电池接收到相对光强度
0J J 不同值时，相应的SC I 和OC U 的值，（为得到较小的0
J J
时，可使用带有φ6mm 孔的遮光光阑）。

具体测量办法是：测完一个相对光强度值后，断开功率计和太阳能电池的连接线，把太阳能电池分别加到电流表和电压表上测量短路电流SC I 和开路电压OC U 。

跟据测量结果，描绘SC I ～
0J J 、OC U ～0J J 之间的关系曲线，求SC I 与0J J 之间和OC U 与0
J J
之
间的近似函数关系。

[参考实验数据及其处理]
1、在全暗的情况下，测量太阳能电池的正向伏安特性曲线。

U （V ） 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 I （mA ）
0.01 0.03 0.06 0.13 0.22 0.37 0.62 1.09 2.40 6.11
由实验数据作图，并进行曲线拟合，结果如图6所示。

图6. 太阳能电池的正向伏安特性曲线
由)1(-=U o e I I
β知，当U 较大时，1>>βμe ，即可近似为U o e I I β=，经数据拟
合可以得到：1
80.1-=V
β，mA I 3
01073.0-⨯=，相关系数r =0.99789。

2．在不加偏压时，测量太阳能电池在光照时的输出特性
按照图5所示方法安排实验仪器，打开遮光盖。

保持一定距离（例如用光功率计测量光功率1mW 处），用白炽灯照射，改变电阻箱阻值，测量太阳能电池在不同负载电阻下L R (Ω)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 U （V ） 0 0.086 0.164 0.228 0.280 0.313 0.336 0.351 0.359 0.371 I （mA ）
1.81 1.70 1.57 1.48 1.37 1.23 1.10 0.98 0.88 0.81 L R (Ω)
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 U （V ） 0.379 0.384 0.389 0.391 0.393 0.395 0.397 0.400 0.402 0.403 I （mA ）
0.75 0.68 0.64 0.59 0.55 0.52 0.49 0.46 0.44 0.42 L R (Ω)
1.0K
2.0K
3.0K
4.0K
5.0K
6.0K
7.0K
8.0K
9.0K 10.0K U （V ） 0.405 0.415 0.418 0.420 0.425 0.427 0.427 0.427 0.427 0.427 I （mA ）
0.40
0.20
0.14
0.11
0.08
0.07
0.06
0.05
0.05
0.04
由实验数据作图，图7是光照下太阳能电池输出电流与输出电压的关系。

由图可知在
此条件下太阳能电池的短路电流SC I =1.81mA ，开路电压OC U ＝0.427V 。

图7. 光照下太阳能电池输出电流与输出电压的关系
太阳能电池在光照时，输出功率P ＝I ×U 与负载电阻R 的关系，如图8所示。

图8.太阳能电池在光照时输出功率与负载电阻的关系
由图8可得到最大输出功率mW P 385.0max =，此时负载电阻约R ＝250Ω，填充因子，427
.081.1385
.0max ⨯==
oc sc U I P FF ＝0.498。

3、测量太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J J 的关系，测量结果如图9和图10所
示。

将光功率计置于导轨上，测量白炽灯的光照强度，取光电池在测量值为1mW 处位置
的光照强度作为标准光照强度0J ，改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量光照强度J 。

测量太阳能电池接收到相对光强度
J J
不同值时，相应的SC I 和OC U 的值，（为得到较小的
J J
时，可使用带有φ6mm 孔的遮光光阑），实验数据如表3所示。

表3.太阳能电池接收到不同相对光强度
J J 值相应的SC I 和OC U 测量结果
SC I （mA ）
2.90 2.50 2.24 1.80 1.47 1.23 0.78 0.38 0.22 0.18 0.15 OC U （V ） 0.442 0.438 0.431 0.422 0.409 0.397 0.365 0.305 0.247 0.229 0.210 0
J J
1.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.10
0.08
0.06
据此描绘SC I ～
J J 关系（图9所示），进行线性数据拟合得：
05418.078146.10+=J J
I SC ，相关系数99905.0r =。

图9.SC I ～0
J J 关系曲线及数据拟合
同样根据实验数据描绘OC U ～
J J
关系（图10所示），进行数据拟合得到近似函数关系：
4216.0)0256.0ln(
0645.00
+-=J J
U OC 。

图10. OC U ～0
J J 关系曲线及数据拟合
所以，考虑到杂散光、仪器本底和白炽灯光谱特性等问题的影响，我们可以得到SC I 和OC U 与相对光强0J J
的近似函数关系为：
)A(
0J J I SC =，C J J
U OC +=)ln(0
β [注意事项]
1. 白炽灯应与与太阳能电池特性测试仪后面板上的香蕉插头座对接。

注意该插座为
220V 输出，必须关闭电源开关后，方可操作，以免发生触电事故。

2. 实验测试结果会受到实验室杂散光的影响，使用中尽量保持较暗的测试环境。

3. 由于各台仪器使用的太阳能电池光电转换效率、白炽灯的发射光谱存在一定的个
体差异，而且实验仪器所处的环境亮度不尽相同，这类因素均可能导致各台仪器之间测量结果存在一定差异，但并不影响物理规律的反映。

4. 如果实验室电网电压波动较大，请加稳压电源后使用本仪器。