太阳能电池特性
第3章太阳能电池的特性
第3章太阳能电池的特性太阳能电池的特性光伏电池的特性⼀般包括光伏电池的输⼊输出特性(伏安特性)、照度特性以及温度特性。
1. 伏安特性当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系(伏安特性)可以简单的⽤图2．9所⽰的特性曲线来表⽰。
图中：V oc 为开路电压；Isc 为短路电流；Vpmax 为最佳⼯作电压；Ipmax 为最佳⼯作电流。
最佳⼯作点对应电池的最⼤出⼒Pmax ，其最⼤值由最佳⼯作电压与最佳⼯作电流的乘积得到。
实际使⽤时，电池的⼯作受负载条件、⽇照条件的影响，⼯作点会偏离最佳⼯作点。
1.1 开路电压Voc光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。
1.2 短路电流Isc光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。
1.3 填充因⼦FF实际情况中，PN 结在制造时由于⼯艺原因⽽产⽣缺陷，使光伏电池的漏电流增加。
为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲率加⼤，定义曲线因⼦FF 为Uoc Isc P Uoc Isc Up Ip FF ?=??=max max max曲线因⼦是⼀个⽆单位的量，是衡量电池性能的⼀个重要指标。
曲线因⼦为1被视为理想的电池特性。
⼀般地，曲线因⼦在0．5～O ．8之间。
1.4 转换效率转换效率⽤来表⽰照射在电池上的光能量转换成电能的⼤⼩，它是衡量电池性能的另⼀个重要指标。
但是对于同⼀块电池来说，由于电池的负载的变化会影响其出⼒，导致光伏电池的转换效率发⽣变化。
为了统⼀标准，⼀般公称效率来表⽰电池的转换效率。
即对在地⾯上使⽤的电池，在太阳能辐射通量1000w ／m2、⼤⽓质量Aml.5、环境温度25℃，与负载条件变化时的最⼤电⽓输出的⽐的百分数来表⽰。
⼚家的说明书中电池转换效率就是根据上述测量条件得出的。
2.照度特性光伏电池的出⼒随照度(光的强度)⽽变化。
如图2．10所⽰，短路电流与照度成正⽐；图2．1l所⽰，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持⼀定的开路电压。
《太阳能电池特性》课件
硅材料
薄膜太阳能电池使用薄层材料，如铜铟镓硒和镉敏化太阳能电池，具有较低的成本和较高的灵活性。
薄膜材料
使用硫化镉、铜锌硒等多元化合物材料制造的太阳能电池，具有较高的光电转换效率和较低的成本。
多元化合物材料
严格控制原材料质量
确保使用的材料符合要求，避免杂质和污染物对太阳能电池性能的影响。
05
CHAPTER
理想能带结构的特点是导带和价带之间的禁带宽度适中，能够有效地吸收太阳光并产生电子-空穴对。
在太阳能电池中，能带结构决定了电子的激发和传输过程。
不同材料的能带结构不同，因此太阳能电池的转换效率也不同。
在太阳能电池中，光吸收过程产生的电子-空穴对需要被有效地分离和收集。
电荷分离和收集的效率决定了太阳能电池的输出电流和电压。
高效的电荷分离和收集需要良好的电场分布和载流子传输路径。
表面和界面态对电荷分离和收集的影响也是研究的重点。
01
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太阳能电池的输出电流和电压是由光吸收、电荷分离与收集等多个过程共同决定的。
电压的产生与能带结构、表面态和界面态等有关。
电流的产生与光吸收过程中产生的电子-空穴对的数量和传输效率有关。
表面处理技术
移动能源
研发便携式太阳能电池产品，如太阳能背包、太阳能充电器等，满足移动能源需求。
建筑集成
将太阳能电池集成到建筑中，实现建筑能源的自给自足，降低建筑能耗。
农业应用
将太阳能电池应用于农业领域，如太阳能灌溉、太阳能温室等，提高农业生产效率。
THANKS
感谢您的观看。
太阳能电池的输出电流和电压受到多种因素的影响，如光照强度、温度等。
03
CHAPTER
太阳能电池伏安特性
找出最大功率点对应的电阻值为最佳匹配负 载。
由
FF Pmax VocIsc
计算填充因子。
由
s
Pmax Pin
100%
计算转换效率。 Pin 为
入射到电池板上的光功率 Pin =I×S1
可编辑ppt
18
注意事项
在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳 能电池 。
光源工作及关闭约1 小时期间，温度很高， 请勿触摸。
+ ++ +
-- - - -
+ ++ +
-- - - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++
p型
耗尽区 n型
正偏 可编辑ppt
6
硅光电池--基于光伏效应
入射光
当PN结零偏或反偏
p型硅受光层
耗尽区存在一内电场
光 入射光子将把处于价带中的 照 束缚电子激发到导带
激发出的电子-空穴对在内电场作 用下分别漂移到Ｐ型区和N型区
P
E
I
n
GG
n 型硅基片层
硅光电池结构示意图
PN结两端加负载时就有光生电流流过负载
可编辑ppt
7
实验仪器
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8
实验内容
1．太阳能电池的暗伏安特性测量。 2．开路电压、短路电流与光强关系的测量。 3．太阳能电池的输出特性测量。
太阳能电池原理及特性
1.1 太阳能电池原理1.1.1半导体材料对光的吸收太阳能电池，又叫光伏电池，是一种利用太阳光直接发电的光电器件。
太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的，而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时，一部分被半导体表面反射回来，一部分进入半导体被吸收，还有一部分将透过半导体。
在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定：I(x) = I0 （1—R）e—αx （3—1）其中α为与波长相关的吸收系数，R为半导体表面的反射率。
在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。
如图3－1所示，位于价带的一个电子，吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带，在价带中留下一个空穴，形成了一个电子空穴对。
这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。
这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。
在晶格图象中，硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空穴。
图3－1 载流子的本征吸收一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带，则被吸收的光子必定要满足：hf≥Eg（3—2）或者：h c/ λ≥Eg（3—3）硅的禁带宽度Eg = 1.119eV，因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。
与本征吸收对应的是非本征吸收，非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。
激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg 的光子而离开价带，但却无法进入导带成为自由电子。
该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个新的电中性系统，称为激子。
太阳能电池特性实验仪实验报告(综合)
太阳能电池特性研究实验数据记录报告
表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量
以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。
实验结论：
表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系
根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。
实验结论：
指导教师：（签字）
2014年月日
表3 三种太阳能电池输出特性实验 D=20cm 光强I= W/m2S=2.5×10-3m2Pin=I×S= mW
根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线。
找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。
根据表3数据和图4可以得出三种太阳能电池的最佳匹配负载分别为：
单晶硅：Ω，多晶硅：Ω，非晶硅：Ω
根据表3中数据计算三种太阳能电池的填充因子：
表4 三种太阳能电池的填充因子
计算转换效率：
表5 三种太阳能电池的转换效率表
实验结论：。
指导教师：（签字） 2014年月日。
太阳能电池的特性测量
太阳能电池特性测量实验报告学院能源与环境工程学院班级学号姓名林晓晨一、实验目的与实验仪器实验目的：（1）了解太阳能电池的光伏效应原理，了解单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的差别；（2）研究在无光照情况下太阳能电池的伏安特性（即暗伏安特性）；（3）研究在光照情况下太阳能电池的输出特性。
实验仪器：ZKY-SAC-I 太阳能电池特性实验仪、可变负载、光源、导轨、遮光罩、光强探头、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。
二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）1.太阳能电池光生伏特效应的原理光生伏特效应是指半导体材料由于受到光照而产生电动势的现象，简称光伏效应。
太阳能电池就是利用这种半导体P-N 结受到光照时的光伏效应进行发电的。
需要注意的是，太阳能电池产生光生伏特效应用于发电需要满足两个条件：（1）材料对光具有本征吸收（可以产生内光电效应）；（2）在太阳能电池内部可以形成内建电场，能够迅速分离光生载流子，且能够阻止光生载流子的复合。
2.太阳能电池的特性当无光照射在太阳能电池时，可以将太阳能电池等效为一个二极管；有光照射在太阳能电池时，则可以将其等效为一个受控电流源，其等效电路如图5.17-2 所示。
图中，I L为光照射到电池吸收层中产生的光生电流，当光照相对比较恒定的时候，光生电流不会随着工作状态改变，可以看做恒流源。
理想的太阳能电池正向电流IF与其压降UF之间满足以下关系式：三、实验步骤（要求与提示：限400字以内）1.太阳能电池的暗伏安特性测量将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.3V 记一次电流值，并将数据记录到表中。
将电压输入调到0V，并将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。
逐渐增大反向电压，每间隔1V 记录一次电流值，并将数据记录到表中。
绘制三种太阳能电池的伏安特性曲线。
2.开路电压、短路电流与光强关系测量打开光源开关，并预热 5 分钟。
太阳能电池特性数据处理参考
太阳能电池特性数据处理参考太阳能电池特性数据处理是评估太阳能电池性能的重要步骤。
在此过程中，需要使用各种工具和技术来处理从太阳能电池采集到的数据。
下面将提供一些处理太阳能电池特性数据的参考方法。
1. 数据收集和准备在处理太阳能电池特性数据之前，需要确定所需的数据。
太阳能电池通常被测量它们的IV（电流-电压）曲线。
这些曲线显示太阳能电池在不同电压和电流下的响应。
其次，需要收集一些基本属性，例如温度和光照强度。
2. IV曲线绘制和分析在收集到IV数据之后，需要将数据绘制为IV曲线。
这可以通过使用一个合适的软件来完成。
绘制出IV曲线后，可以进行以下分析：a. 找到最大功率点：最大功率点是太阳能电池输出功率最高的点。
它通常出现在IV 特性曲线的一个突起处。
可以通过计算IV曲线上的功率（P）来找到最大功率点。
最大功率点处的电压（V）和电流（I）可以通过读取IV曲线的坐标来确定。
b. 计算填充因子：填充因子（FF）是太阳能电池的实际输出功率和理论最大输出功率之间的比率。
填充因子越高，太阳能电池的性能越好。
可以通过计算公式FF=Pmax/Voc*Isc来计算填充因子。
c. 计算效率：效率是太阳能电池将光能转化为电能的能力。
可以通过计算公式η=Pmax/(Pinc)来计算效率，其中Pinc是从太阳光源接收到的输入光功率。
3. 数据分析工具可以使用各种工具来分析太阳能电池特性数据。
以下是一些常用的数据分析工具：a. MATLAB：MATLAB是数学分析和技术计算的强大工具。
它可以用于处理和分析太阳能电池的IV特性数据，并创建自定义图表和图形。
b. Excel：Excel是流行的电子表格程序，可以用于处理和分析太阳能电池的数据并创建图形和图表。
c. Python：Python是一种通用编程语言，可以用于处理和分析太阳能电池的数据，并自动化数据处理过程。
4. 数据报告撰写最后一个步骤是将处理后的数据和分析结果整合到一个报告中。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
3.太阳能电池基本特性
太阳能电池的基本特性1、太阳能电池的基本特性太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。
具体解释如下1、太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。
太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。
这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。
当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。
能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。
因此,在太阳能电池的设计和制造过程中, 必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
2、有关太阳电池的性能参数1、开路电压开路电压UOC即将太阳能电池置于100 mW/cm勺光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。
2、短路电流短路电流ISC:就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。
3、最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。
如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。
此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im 表示。
4、填充因子FF太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF,他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。
太阳能电池基本特性的测量
太阳能电池基本特性的测量本文由【】 搜集整理。
免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word 文档太阳能电池基本特性的测量太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。
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、太阳能收音机、太阳能电站，目前太阳能作为一种清洁、绿色的再生能源有着广泛的应用前景。
本实验主要研究太阳能电池的基本特性、吸收光能转变为电能的特性。
一、实验目的：（1）测定太阳能电池在无光照条件下的伏安特性，验证它与二极管具有相同的特性 （2）测定太阳能电池在光照时的输出特性，并求出短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子（3）测定太阳能电池随光照变化的特性。
二、实验仪器：光具座、太阳能电池、数字万用表两块、电阻箱、直流电源、光功率计和探头、开关、电路板、导线 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，正向偏压u 与通过电流I 的关系为0(1)u I I e β=-，0I 和β是常数。
根据半导体理论，二极管主要是由能隙为c v E E -的半导体构成，c E 为半导体电带，v E 为半导体价电带。
入射光光子的能量为hv (h 为普朗克常数，v 为光的频率)，当光子能量c v hv E E >-时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对，它们分别受到半导体内电场作用而产生光电流。
太阳能电池在工作时的简化电路如图所示，它可等效为一个电流源与二极管的并联。
由图可知：0(1)uph d ph I I I I I e β=-=--当输出短路时：0u = 短路电流sc ph I I I ==当输出开路时：0I = 代入上式得：(1)0u ph I I e β--= →0(1)oc u sc I I e β=-oc u 为开路电压 四、实验内容和要求：1、在无光照条件下测量太阳能电图一池正向偏压时的I U -特性（1）用盖板盖住太阳能电池，使太阳能电池在无光照条件下工作。
【报告】太阳能电池特性的测量实验报告
【关键字】报告太阳能电池特性的测量实验报告篇一：太阳能电池特性测量实验本科学生实验报告学号姓名学院物电学院专业、班级12级光电子班实验课程名称太阳能电池特性测量实验教师及职称开课学期学期填报时间日云南师范大学教务处编印一、实验设计方案篇二：实验报告--太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名：张伟楠班级：F0703028 学号：08实验成绩：同组姓名：张家鹏实验日期：指导教师：批阅日期：太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1．太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1 所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn 结进行工作．一般采用n+/p 同质结的结构，即在约10 cm×10 cm 面积的p 型硅片（厚度约500 μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3 μm）的经过重掺杂的n 型层．然后在n 型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．图一太阳电池结构示意图2．光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p 区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p 区．同样，如果在结附近p 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n 区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n 区和p 区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn 结附近，使p 区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在pn 结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV）．3．太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流Iph．同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I 为（1）式中VD 为结电压，I0 为二极管的反向饱和电流，Iph 为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n 称为理想系数（n 值），是表示pn 结特性的参数，通常在1~2 之间．q 为电子电荷，kB 为波尔茨曼常数，T 为温度．如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD 即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为（2）当太阳电池的输出端短路时，V = 0（VD ≈ 0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（2）和（3）式可得到开路电压（3）当太阳电池接上负载R 时，所得的负载伏–安特性曲线如图2 所示．负载R 可以从零到无穷大．当负载Rm 使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm 为（4）式中Im 和Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc 与Isc 的乘积与最大功率Pm 之比定义为填充因子FF，则（5）FF 为太阳电池的重要表征参数，FF 愈大则输出的功率愈高．FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin 之比，即（6）图三太阳电池的伏–安特性曲线4．太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn 结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs 和相当于pn 结泄漏电流的并联电阻Rsh 组成的电路来表示，如图3 所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．【实验数据记录、实验结果计算】◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：表11. 根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线2. 各个条件下，光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：1. 光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界）；2. 研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；3. 研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。
太阳能电池及特性
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时，由于光生伏特效应，在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势，即光生电压。
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
量子效率与波长相对应，即与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光子都被吸收，并且其所产生的
少数载流子都能被收集，则这个特定波长的所有光子的量 子效率都是相同的。 而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。
§4.1.1 光生电流
通常，波长小于350nm的光子的量子效率不予测量，因为 在1.5大气质量光谱中，这些短波的光所包含能量很小。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc ： 将太阳电池短路，V=0，则ID=0，所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc ： 太阳能电池开路，输出电流I=0，即Iph=ID：
特性。 在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的，因为
在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 在远离电场的区域，其收集概率将下降。 当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时，那
么它的收集概率是相当低的。
§4.1.1 光生电流
收集概率： 当载流子在与内建电场外的区域产生时，非平衡少数载流 子边扩散边复合，它扩散到内建电场边界的概率，既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
太阳能电池的特性测量
太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s .2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。
3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。
原理当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1)。
那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。
只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度,总有一定几率扩散到结界面处.在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区,也称为耗尽区。
在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。
只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。
这导致在n 区边界附近有光生电子积累,在p 区边界附近有光生空穴积累.它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。
这一现象称为光伏效应(Photovoltaic effect ）。
图1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。
当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。
同时,由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区,与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I 为两个电流之差:)()(D S U I ΦI I -= （1）如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。
太阳能光伏电池性能的特性分析与提升
太阳能光伏电池性能的特性分析与提升太阳能光伏电池是现代清洁能源的重要组成部分，具有环境友好、可再生和广阔的应用前景。
然而，太阳能光伏电池的性能影响着其实际的发电效果和经济效益。
因此，对太阳能光伏电池的特性进行深入分析，并提出提升性能的方法，具有重要的理论和实践意义。
一、太阳能光伏电池性能分析1. 电池效率：太阳能光伏电池的效率是衡量其性能的重要指标，定义为光能转化为电能的比例。
提高电池效率可以增加产生的电能，从而提高经济效益。
电池效率受光吸收、载流子传输和光伏效应等因素的综合影响。
2. 开路电压和短路电流：太阳能光伏电池的输出特性曲线中，开路电压和短路电流是两个重要参数。
开路电压是在光照条件下，电池未连接电路时的电压；短路电流则是在电池的两端短接时的电流。
这两个参数与材料的能带结构、光照强度和载流子浓度等因素密切相关。
二、提升太阳能光伏电池性能的方法1. 材料优化：太阳能光伏电池的性能与所使用的半导体材料密切相关。
优化材料的带隙、载流子迁移率和捕获激子能力等特性，可以提高电池的光吸收能力和光电转换效率。
目前较为常用的材料有硅、铜铟镓硒等。
2. 结构优化：通过调整电池的结构，改变光的吸收和载流子的传输效果，可以提高电池的性能。
例如，通过调整电池的表面纳米结构，可以增加光的吸收量；加入复合材料层次结构，可以提高电池的载流子传输效率。
3. 后处理技术：太阳能光伏电池的后处理技术可以进一步提高电池性能。
例如，使用表面修饰技术可以减少光的反射和损失，提高光的吸收率；采用界面工程技术可以提高电荷传输效率和载流子寿命。
4. 多晶硅应用：多晶硅是太阳能光伏电池中常用的材料之一。
通过控制多晶硅材料的晶粒尺寸和尺度均匀性，可以提高电池的电子传导性能和光吸收能力，从而增加电池的效率。
5. 组合光伏电池：通过把不同材料的光伏电池组合在一起，可以充分利用不同材料的光谱范围，提高整个电池组的光电转换效率。
例如，将硅光伏电池与铜铟镓硒(CIGS)光伏电池组合，可以实现对可见光和红外光的双重吸收，提高光的利用率。
太阳能光伏电池的光伏电流与电压特性分析
太阳能光伏电池的光伏电流与电压特性分析
太阳能光伏电池是一种利用太阳能直接转化为电能的设备，是清洁能源的重要组成部分。
光伏电池的光伏电流与电压特性是评估其发电效率和性能的重要参数。
光伏电池的光伏电流与电压特性受多种因素影响，包括太阳辐射强度、温度、材料特性等。
其中，太阳辐射强度是影响光伏电流的主要因素之一。
在强阳光下，光伏电池的光伏电流会随之增大；而在弱光照条件下，光伏电流则会减小。
因此，了解光伏电池在不同光照条件下的光伏电流变化规律对于优化其发电效率至关重要。
除了太阳辐射强度外，光伏电池的温度也会对其光伏电流与电压特性产生影响。
一般情况下，光伏电池的温度越高，其光伏电流会越小，而光伏电压会略微增加。
这是因为高温会导致光伏电池内部电子运动加剧，使得光伏电池的内部电阻增加，从而影响光伏电流的产生。
因此，在设计光伏电池系统时需要考虑如何有效降低光伏电池的工作温度，以提高其发电效率。
此外，光伏电池的材料特性也会对其光伏电流与电压特性产生影响。
常见的光伏电池材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅等。
不同的材料具有不同的能带结构和电子迁移特性，因此其光伏电流与电压特性也会有所差异。
研究人员可以通过调节光伏电池的材料结构和加工工艺，来实现更高效率的能量转换。
在实际应用中，光伏电流与电压的特性分析对于评估光伏电池的性能和稳定性至关重要。
通过实验研究和理论分析，我们可以更深入地了解光伏电池的工作原理和性能参数，为优化光伏电池系统的设计提供依据。
未来，随着技术的不断进步和创新，光伏电池的发电效率和可靠性将会得到进一步提升，为推动清洁能源的发展做出贡献。
太阳能电池特性
0.291 30
0.23 35
0.18 40
0.144 45
光强J与位置X的关系
0.6 0.5
J / m w
0.4 0.3
0.2 y = -4E-06x4 + 0.000x3 - 0.026x2 + 0.524x - 3.138 R²= 0.997 0.1 0
系列1 多项式 (系列1)
0
10
20 x(cm)
J/J0
0.8
1
1.2
Isc= 13.13(J/J0)4 - 30.88(J/J0)3 + 26.18(J/J0)2 - 8.917(J/J0) + 1.165 R² = 0.999
(三)Uoc与相对光强度J/J0的关系 J(mW) 0.501 0.424 0.291 0.230 0.180 0.144 J/J0 1 0.846307 0.580838 0.459082 0.359281 0.287425 Uoc(V) 3.283 2.048 1.352 0.995 0.867 0.636
0.588 0.0098
白光照射时的负载特性
0.14
0.12
I(mA)
0.1
0.08 0.06 0.04
0.02 0 0 0.2 系列1 线性 (系列1)
y = -0.195x + 0.124 R²= 0.998
0.4 0.6 0.8
U(V)
Isc=0.124mA Uoc=0.636V (一)光强J与位置X的关系 J/mw 0.501 0.424 X/cm 20 25
（注：由拟合曲线的横轴纵轴的截距算得，下同）
（二）
p=u*i=u*(-0.205u + 0.673)
太阳能电池基本特性
【实验目的】1.了解太阳能工作的原理2. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线；3. 测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏安特性曲线图【实验仪器】白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关、连接导线若干。
【实验原理】太阳光照在半导体p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在p-n 结电场的作用下，空穴由n 区流向p 区，电子由p 区流向n 区，接通电路后就形成电流。
这就是光伏效应太阳能电池的工作原理。
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。
图1 光伏效应示意图【实验内容及步骤】1.在没有光源（全黑）的条件下，测量单晶硅太阳能电池正向偏压时的U I -特性（直流偏压从V 0.30-）（1）连接电路图。
图2 U I -特性测量电路（2）利用测得的正向偏压时U I -关系数据，画出U I -曲线并求出常数nKT q=β和0I 的值。
2.在不加偏压时，用白色光照射，测量多晶硅太阳能电池一些特性。
注意此时光源到太阳能电池距离保持为cm 20（1）连接电路图。
图3 恒定光源太阳能电池特性实验（2）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。
【实验结论】1.由实验得出太阳能电池在无光照的条件下近似为一个二极管。
2. 连接电路时，保持电源开关断开。
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3. 输出功率：太阳能电池的输 出功率为输出电压与输入电压 的乘积。 输出电压与输出电流的最大乘 积值称为最大输出功率Pmax 。
输出电流 I （输出功率）
Pmax
ISC
图2
VOC 输出电压 V 太阳能电池的输出特性
4. 填充因子Fill Factor (F.F)，是太阳能电池性能优劣的重要
参数，其值越大，电池的光电转换效率越高。
实验目的
1.测量太阳能电池的暗伏安特性；
2.测量开路电压、短路电流与光强关系的；
3.测量太阳能电池输出特性。
实验原理
太阳光电池的发电原理是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm 波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种 发电方式。
太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件，由运用P型 与N型半导体接合而成的，其基本结构就是一个大面积的P-N结。
Pmax F .F Voc I sc
5. 能量转换效率Power Conversion Efficiency (ηs(%) )：
太阳电池的最大输出功率和入射光的功率之比。
Pmax s % 100 % Pin
Pin I S
其中I为光强，S为面积
S 0.003m
2
* 测太阳能输出特性实验时，选30cm处的光强
注意：1.选距离为30cm进行实验； 2.边做边算，找出并标注最大的输出功率，且之后需有两组数据做支撑。
表3 3种太阳能电池输出特性实验
注意事项
1. 开路电压、短路电流不能同时测； 2. 做太阳能电池输出特性实验也就是表3时，要边做 边算，找到最大值，并作标注，且找到最大值后需 要有两组数据来支撑； 3. 每个实验台上的仪器不能相互调换； 4. 实验完毕后，请整理好试验台。
实验报告要求
Hale Waihona Puke 实验报告用坐标纸画出特性曲线图
预习手册数据页
太阳能电池特性实验
能源短缺
环境污染
太阳能光伏发电—是可以预 见的清洁能源利用最好方案。太 阳能电池又称为“太阳能芯片” 或“光电池”是通过光电效应或 者光化学效应直接把光能转化成 电能的装置。只要被光照到，瞬 间就可输出电压及电流。在物理 学上称为太阳能光伏 (Photovoltaic，photo 光线， voltaics 电力，缩写为PV)，简称 光伏。 本实验主要研究多晶硅，非晶 硅两种太阳能电池的特性。
N 势垒电场方向 P 空间电荷区
图1
半导体 P-N 结示意图
实验仪器
光源（碘钨灯）、电压源、电流表、太阳能电池、电 压/光强表、遮光罩、滑动支架、导轨、可变电阻箱等
光伏电池的主要性能参数有开路电压VOC、短路 电流ISC、最大输出功率Pmax、填充因子F.F、能量转换 效率ηs(%)等。
1. 开路电压open-circuit voltage ( VOC )：太阳能电池处于开路 状态时两端电压，即负载断开时测得的最大电压 2. 短路电流short-circuit current (ISC)：太阳电池处于短路状态 时流过的电流，即负载电阻为零时测得的最大电流。
2. 测试电池的开路电压与短路电流
注意：1.打开光源开关，预热5分钟； 2.打开遮光罩，将光强探头装在太阳能电池板位置，测试仪设为“光强测 量”； 3.将光探头换为多晶硅或非晶硅时，需要把测试仪设置为“电压表”状态
表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系
3. 测试电池的输出特性 （改变负载）
实验内容及步骤
1. 太阳能电池的暗伏安特性测量
伏安特性测量接线原理图
注意：1.打开光源，用遮光罩罩住太阳能电池； 2.注意电路的连接；将“电压输出”接口的两根线互换，即加上反向电压； 3.电流表量程建议为200mA ，表1仅需测量电压为-7-3V时多晶硅和非晶硅的电流。
表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量