实验20 太阳能电池特性的测量

实验20 太阳能电池特性的测量

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汽驱动发电机发电，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。

太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件与相配套的装置组成的太阳能电池发电系统具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪声、无污染等优点。世界上第一块实验用半导体太阳能电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。经过50多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前太阳能电池的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。太阳能是一种清洁的“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。

【实验目的】

1．探讨太阳能电池的基本特性；

2．研究无光照时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性；

3．测量太阳能电池有光照时的输出特性，并求出它的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子；

4．测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。

【预备问题】

1．如何对光具座的同轴等高调节？

2．太阳能电池在使用时正负极能否短路？普通电池在使用时正负极能否短路？

3．太阳能电池的基本工作原理是什么？

4．填充因子的物理意义是什么？如何通过实验方法测量填充因子？

【实验仪器】

太阳能电池特性实验仪（包括光具座、滑块、光源、太阳能电池、遮光板、光功率计、直流稳压电源、遮光罩、单刀双掷开关等）、万用表、电阻箱。

【实验原理】

1．太阳能电池的结构

以晶体硅太阳能电池为例，它以P型硅半导体材料作

为基质材料，通过在表面的N型杂质扩散而形成PN结，

N型半导体为受光面，为了减少光的反射损失，一般在整

个表面覆盖一层减反射膜，在N型层上制作金属栅线作为

正面接触电极，在整个背面也制作金属膜作为背面欧姆接

图20-1 太阳能电池结构图

触电极，这样就形成了晶体硅太阳能电池，如图20-1所

示。

2．太阳能电池的基本工作原理

太阳能电池的发电过程可概括成如下四点：（1）收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出光生载流子——电子-空穴对。（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池PN结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势（，这一现象称为光伏效应）。（4）在太阳能电池PN结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把光能直接转换成了电能。

下面以单晶硅太阳能电池为例进行具体阐述。照到太阳能电池上的光线，一部分被太阳能电池上表面反射掉，另一部分被太阳能电池吸收，还有少量透过太阳能电池。在被太阳能电池吸收的光子中，只要入射光子的能量大于半导体禁带宽度的光子，在P区、N区和结区光子被吸收会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。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，总有一定概率扩散到结界面处。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N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，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使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。

如果太阳能电池开路，即负载电阻

L

R=∞，则被PN结分开的全部过剩载流子就会积累

在PN结附近，于是产生了最大光生电动势。如果太阳能电池短路，即

L 0

R=，则所有可到达PN结的过剩载流子都可以穿过结，并产生最大可能的电流。如果把太阳能电池接上负载L

R，则被PN结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低PN结势垒，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流，这就是太阳能电池的基本工作原理。

3．太阳能电池的等效电路

（1）理想的太阳能电池等效电路

理想的太阳能电池等效电路如图20-2所示。当连

接负载的太阳能电池受到光照射时，太阳能电池可视

为产生光生电流I ph的恒流源，与之并联一个处于正偏

置下的二极管。

无光照时太阳能电池的特性可视为一个二极管，

二极管的端电压U与通过电流I d的关系式为

d o (e1)

U

I Iβ

=-（20-1）

式（20-1）中，I o是反向饱和电流，

q

AkT

β=（q为电子电量，A为二极管曲线因子，T为

热力学温度）。

因此，流过负载两端的工作电流为

ph d ph o (e1)

U

I I I I Iβ

=-=--（20-2）太阳能电池正常运行时，I ph比I o高几个数量级，因此式（20-2）中的1可以忽略。

（2）实际的太阳能电池等效电路

图20-2 理想的太阳能电池等效电路