大学物理实验实验32 太阳能电池实验

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。
8
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。
9
（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。
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
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。
10
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：
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。
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。