大学物理实验实验32 太阳能电池实验
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太阳能电池实验
物理实验教学中心 马红
实验背景
太阳能是指太阳辐射的能量。我们知道在太阳内部无时无刻的在进 行着氢转变为氦的热核反应。反应过程中伴随着巨大的能量向宇宙空间 的释放。所有太阳释放到宇宙空间的能量都属于太阳能的范畴。科学研 究已经表明太阳的热核反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率约 3.8×1023Kw。根据地球体积、及地球与太阳的距离等数据可以计算出 地球被辐照到的太阳能大致为全部太阳能量辐射量的20亿分之一左右。 考虑到地球大气层对太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面 的太阳辐照功率为80亿千瓦，折合500万吨标准煤的能量。 人类对硅材料的认识及固体理论、半导体理论的发展和成熟，是太 阳能利用的关键推动力，具有里程碑意义的事件是1945年美国Bell实验 室研制出实用性硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用 贸易的热点。太阳能潜在的市场为全世界所关注。除了人类能源需求量 的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、理论和工艺技术水平的提 高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是一个重要的因素 太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是pn结和光 生伏特效应。理解太阳能电池的工作原理、基本特性表征参数和测试方 法是必要和重要的。
P N 结 结 构 示 意 图
当有入射光垂直入射到PN结，只要PN结结深比较浅，入射光子 会透过PN结区域甚至能深入半导体内部。如下图所示，如果入射光子 能量满足关系 （Eg为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材 料本征吸收，在PN结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电 子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。在均匀半导体中光照射 下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。这种 作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产 生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是 由N区指向P区，与内建电场方向 一致；第二，光生少子的定向运动与 扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，PN结势垒高度降低，甚 至会完全消失。宏观的效果是在PN结两端产生电动势，也就是光生电 动势。 光 辐 照 下 的 P N 结
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（2） 电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太 阳能电池片所在的控温室的温度控制，在一定范围内，可使控温室 达到指定温度。测试电路用于测试太阳能电池片各性能的数据，该 电路将测得数据传送给计算机，由计算机进行数据的处理和显示。 （3） 控温室：给太阳能电池片提供一个-10℃——40℃的太阳能 电池片的测试环境。 3、氙灯电源：氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内 除湿。
实验仪器
仪器组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片 组和电池片组。实验操作和显示由计算机软件完成。 整机图片如下：
1、光路部分内部示意图 本设备光路简洁，有光源、凸透镜、滤 色片构成。
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2、测试主机 （1）面板介绍：（见下图） ①.紧急停机按钮：直接按下为关顺时针旋转自动归位 ②.关机按钮: 正常关机按钮。③.开机按钮。 ④.PC接口：与计算机通信的USB接口。 ⑤.光源通信接口：与氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息。 ⑥.故障灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常。 ⑦.工作状态：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整 ⑧. 电源：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。
无机太阳能电池
实验目的
1、了解pn结基本结构与工作原理； 2、了解太阳能电池的基本结构，理解其工作原理； 3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系； 4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法， 理解光源波长、温度等因素对太阳能电池特性的影 响； 5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试 数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分 析实验数据与理论结果间存在差异的原因。
其中
为反向饱和电流。A、D、n
p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和 扩散长度。
Βιβλιοθήκη Baidu13
3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系－（光亮特性） 光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向p区 的光生电流IL，光生电动势等价于加载在PN结上的正向电压V，它使得 PN结势垒高度降低qVD－qV。开路情况下光生电流与正向电流相等时 ，PN结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的 开路电压Voc。如图4所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过 PN结，显然PN结相当于一个电源。光电流IL在负载上产生电压降，这 个电压降可以使pn结正偏。如图3所示，正偏电压产生正偏电流IF。在 反偏情况下，pn结电流为：
太阳能电池的发展
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳 能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人 造卫星上。
由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐 渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳 能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳 能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发 电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最 快的行业。
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实验原理
1、光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们的导电能力 在导体和绝缘体之间，其导电能力随外界环境，如温度、光照等，而发 生显著的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点 说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以 使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对 半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性 能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器 件的核心结构通常是pn结。pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基 础区域。太阳能电池，本质上就是pn结。
2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系－（暗 特性） 太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能 转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能 电池等价于一个pn结。通常把无光照情况下太阳能 电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把 无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想pn结。 其电流电压关系为肖克莱方程：
物理实验教学中心 马红
实验背景
太阳能是指太阳辐射的能量。我们知道在太阳内部无时无刻的在进 行着氢转变为氦的热核反应。反应过程中伴随着巨大的能量向宇宙空间 的释放。所有太阳释放到宇宙空间的能量都属于太阳能的范畴。科学研 究已经表明太阳的热核反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率约 3.8×1023Kw。根据地球体积、及地球与太阳的距离等数据可以计算出 地球被辐照到的太阳能大致为全部太阳能量辐射量的20亿分之一左右。 考虑到地球大气层对太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面 的太阳辐照功率为80亿千瓦，折合500万吨标准煤的能量。 人类对硅材料的认识及固体理论、半导体理论的发展和成熟，是太 阳能利用的关键推动力，具有里程碑意义的事件是1945年美国Bell实验 室研制出实用性硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用 贸易的热点。太阳能潜在的市场为全世界所关注。除了人类能源需求量 的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、理论和工艺技术水平的提 高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是一个重要的因素 太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是pn结和光 生伏特效应。理解太阳能电池的工作原理、基本特性表征参数和测试方 法是必要和重要的。
P N 结 结 构 示 意 图
当有入射光垂直入射到PN结，只要PN结结深比较浅，入射光子 会透过PN结区域甚至能深入半导体内部。如下图所示，如果入射光子 能量满足关系 （Eg为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材 料本征吸收，在PN结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电 子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。在均匀半导体中光照射 下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。这种 作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产 生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是 由N区指向P区，与内建电场方向 一致；第二，光生少子的定向运动与 扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，PN结势垒高度降低，甚 至会完全消失。宏观的效果是在PN结两端产生电动势，也就是光生电 动势。 光 辐 照 下 的 P N 结
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（2） 电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太 阳能电池片所在的控温室的温度控制，在一定范围内，可使控温室 达到指定温度。测试电路用于测试太阳能电池片各性能的数据，该 电路将测得数据传送给计算机，由计算机进行数据的处理和显示。 （3） 控温室：给太阳能电池片提供一个-10℃——40℃的太阳能 电池片的测试环境。 3、氙灯电源：氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内 除湿。
实验仪器
仪器组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片 组和电池片组。实验操作和显示由计算机软件完成。 整机图片如下：
1、光路部分内部示意图 本设备光路简洁，有光源、凸透镜、滤 色片构成。
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2、测试主机 （1）面板介绍：（见下图） ①.紧急停机按钮：直接按下为关顺时针旋转自动归位 ②.关机按钮: 正常关机按钮。③.开机按钮。 ④.PC接口：与计算机通信的USB接口。 ⑤.光源通信接口：与氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息。 ⑥.故障灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常。 ⑦.工作状态：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整 ⑧. 电源：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。
无机太阳能电池
实验目的
1、了解pn结基本结构与工作原理； 2、了解太阳能电池的基本结构，理解其工作原理； 3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系； 4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法， 理解光源波长、温度等因素对太阳能电池特性的影 响； 5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试 数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分 析实验数据与理论结果间存在差异的原因。
其中
为反向饱和电流。A、D、n
p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和 扩散长度。
Βιβλιοθήκη Baidu13
3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系－（光亮特性） 光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向p区 的光生电流IL，光生电动势等价于加载在PN结上的正向电压V，它使得 PN结势垒高度降低qVD－qV。开路情况下光生电流与正向电流相等时 ，PN结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的 开路电压Voc。如图4所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过 PN结，显然PN结相当于一个电源。光电流IL在负载上产生电压降，这 个电压降可以使pn结正偏。如图3所示，正偏电压产生正偏电流IF。在 反偏情况下，pn结电流为：
太阳能电池的发展
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳 能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人 造卫星上。
由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐 渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳 能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳 能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发 电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最 快的行业。
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实验原理
1、光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们的导电能力 在导体和绝缘体之间，其导电能力随外界环境，如温度、光照等，而发 生显著的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点 说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以 使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对 半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性 能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器 件的核心结构通常是pn结。pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基 础区域。太阳能电池，本质上就是pn结。
2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系－（暗 特性） 太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能 转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能 电池等价于一个pn结。通常把无光照情况下太阳能 电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把 无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想pn结。 其电流电压关系为肖克莱方程：