太阳能电池基本特性的测量(讲义)

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，已大量用于民用领域：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、“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。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。

【实验目的】

1． 在没有光照时,太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安

特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。

2． 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，从图中求得它的短路

电流(SC I )、开路电压(OC U )、最大输出功率m P 及填充因子FF ，

)]U I /(P FF [OC SC m •=。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。

3． 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流SC I 和相对光强度0J /J 之间关系，画出SC

I 与相对光强0J /J 之间的关系图；测量开路电压OC U 和相对光强度0J /J 之间的关系,画出OC U 与相对光强0J /J 之间的关系图。

【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，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为:

)1e (I I U o -•=β

(1)

(１)式中，o I 和β是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成,如图１所示。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，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成,如图2所示。

图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得:

0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ (2）

(2）式中,I 为太阳能电池的输出电流,U 为输出电压。由(1)式可得，

d sh

ph sh s I R U I )R R 1(I --=+

（３) 假定∞=sh R 和0R s =,太阳能电池可简化为图3所示电路。

这里,)1e

(I I I I I U

0ph d ph --=-=β。

在短路时，0U =，sc ph I I =; 而在开路时,0I =,0)1e

(I I oc

U 0sc =--β;

∴]1I I ln[1U 0

sc

OC +β

= （４)

(４)式即为在∞=Sh R 和0R S =的情况下,太阳能电池的开路电压OC U 和短路电流

SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流,而0I 、β是常数。

【实验装置】

光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表１只(用户自备）、电阻箱1只(用户自备）、白炽灯光源1只(射灯结构，功率W 40）、光功率计（带V 3直流稳

压电源）、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。

【实验内容】

1．在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的U ~I 特性，用实验测得的正向偏压时U ~I 关系数据,画出U ~I 曲线并求得常数β和0I 的值。

2．在不加偏压时,用白色光源照射，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)画出测量实验线路图。

(２）测量太阳能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)用外推法求短路电流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)]U I /(P FF [OC SC m •=。

3．测量太阳能电池的光照特性:

在暗箱中（用遮光罩挡光）,取离白炽灯光源cm 20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x ,用光功率计测量x

处的光照强度J,求光强J 与位置x 的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度0J /J 不同值时,相应的SC I 和OC U 的值。

（1)描绘SC I 和相对光强度0J /J 之间的关系曲线,求SC I 和与相对光强0J /J 之间近似关

系函数。

(２）描绘出OC U 和相对光强度0J /J 之间的关系曲线,求OC U 与相对光强度0J /J 之间近

似函数关系。

【实验数据表格】

1．在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I 和太阳能电池的输出电压U 。测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池和电阻箱两端的电压,算出电流测量结果如表1所示：

表１ 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录

)k (R Ω

)V (U 1

)m V (U 2

)A (I μ

I ln

若用户备有直流可调电源,则可采用图６实验线路:正向偏压在

变化条件下，用Ω=1000R 固定电阻取代电阻箱(但电阻值必须准确,否则计算电流值时将有较大的误差，把测量结果记录到表２中 。

)V (U 1 )m V (U 2

)A (I μ

由

1e I I

U 0

-=β,当U 较大时,1e U >>β,即0I ln U I ln +β=由最小二乘法,将表中最后几点数据处理得：求出: β,0I 和相关系数r 值 。

２.不加偏压,在使用遮光罩条件下,保持白光源到太阳能电池距离cm 20，测量太阳能电池的输出I 对太阳能电池的输出电压U 的关系,测量电路请自拟 。把测量结果记录到表3。

)

(R Ω

)V (U 1

)mA (I )mW (P )

(R Ω

)V (U 1

)mA (I )mW (P

200 4400 ３０0 ４６00 4０0 4800 ６0０ 5００0 8０0 5500 1000 600０ 1200 6５0０ 1400

7000