太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验

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气驱动发电机发电，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，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。 为此，我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。

【实验目的】

1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线

2. 测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率max P 及填充因子FF

3. 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0J J 的关系，求出它们的近似函数关系。

【实验仪器】

光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱

【实验原理】

太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。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。

光电流示意图

太阳能电池的基本技术参数除短路电流SC I 和开路电压OC U 外, 还有最大输出功率max P 和填充因子FF 。最大输出功率max P 也就是IU 的最大值。填充因子FF 定义为

OC

SC U I P FF m ax

=

(2)

FF 是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。FF 值越大,说明太阳能电池对光的利用

率越高。

【实验内容及步骤】

1.在没有光源（全黑）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V 0.30-）

（1）设计测量电路图，并连接。

图1

（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q

=β

和0I 的值。

2.在不加偏压时，用白色光照射，测量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）设计测量电路图，并连接。

图2

（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。 （3）求短路电流SC I 和开路电压OC U 。

（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 （5）计算填充因子OC

SC U I P FF m ax

=

3.测量太阳能电池的光电效应与电光性质

在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20CM 水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度0J ;改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量该处的光照强度J ，

求光强J 与位置关系。测量太阳能电池接受到相对光强度0J J 不同值时，相应的SC I 和OC U 的值。

（1） 设计测量电路图，并连接。

（2） 测量太阳能电池接受到相对光强度0J J 不同值时，相应的SC I 和OC U 的值。

（3） 描绘SC I 和与相对光强0J J 之间的关系曲线，求SC I 和与相对光强0J J 之间的近

似关系函数。

（4） 描绘OC U 和与相对光强0J J 之间的关系曲线，求OC U 和与相对光强0J J 之间的

近似关系函数。

【数据记录及处理】

2.在不加偏压时，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20CM ，测量太阳能电池的输出电流对太阳能电池的输出电压的关系。太阳能电池在光照时，测量输出功率与负载电阻的关系。

)(V U

)(A I μ

)(mA I

3.测量太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J J 的关系。

)(mW P

)(ΩK R

)(mW P

)(ΩK R

)(mW P

)(ΩK R

【注意事项】

1. 连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。

2. 避免太阳光照射太阳能电池。

3. 连接电路时，保持电源开关断开。

【思考题】

1. 设计电路，利用两节干电池，一个电压表，一个电阻箱来测量太阳能电池在全黑的条件下的伏安特性曲线。

2.两个太阳能电池串联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。

3.两个太阳能电池并联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。