太阳能电池基本特性的测量(讲义)
太阳能电池特性测量
实验一太阳能电池的特性曲线测定
【实验目的】
测定太阳能电池的电流—电压特性及其功率曲线。
【实验原理】
太阳能电池模块的性能不仅与电池本身的特性有关，同时也和回路中的负载有关。
通过实验可以测定最大功率点，及MPP点，在此位置可以获得太阳能电池模块的最大输出功率。
测试电路如下：
【实验仪器】
太阳能电池模块1个，光源1个，电阻箱1个，电压、电流传感器各1个，
750型数据转换器1台，微型计算机1台。
【操作程序和数据】
如图连接电路。
将电压传感器和电流传感器与转换器连接并打开电源。
打开光源使灯光直射到太阳能电池板上。
等待一分钟以避免由于温度起伏引起的误差。
然后从开路状态（R=∞）开始测量电流—电压曲线，之后逐渐减小电阻，对每一个阻值记录相应得电压和
电流。
为了得到有代表性的结果，每一对数据测量的时间持续20秒左右。
【数据记录及数据处理】
根据记录的数据画出电流—电压曲线和电流—功率曲线。
【注意事项】
1．光源距离太阳能电池板的距离不宜太近，以免损坏太阳能电池。
2．实验过程中要注意观察回路中的输出电流，最大电流不能超过1.5A，以免损坏电流传感器。
1。
太阳能电池基本特性的测量
太阳能电池基本特性的测量一、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 [O C SC m ∙=。
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0T T 之间关系，画出SC I 与相对光强0T T 之间的关系图；测量开路电压OC U 和相对光强度0T T之间的关系，画出OC U 与相对光强0T T之间的关系图。
二、实验原理：1、太阳能电池工作原理：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 Uo -∙=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。
CE 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，dshph 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。
太阳能电池特性实验讲义
太阳能光伏电池实验讲义一、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，理解工作原理；3、掌握pn结的伏安特性及伏安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，了解光源波长、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。
二、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导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。
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。
常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结。
太阳能电池之所以能够完成光电转换过程，核心物理效应是光生伏特效应。
这种效应是半导体材料的一种通性。
如图1所示，当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势。
如果构成回路就会产生电流。
这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。
非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。
pn结是典型的一个例子。
n型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。
pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。
制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。
杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的，不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。
实验十太阳电池伏-安特性测量-讲义
实验十太阳电池伏 -安特性测量
一、简介太阳能电池的结构
❖ 以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图7-1所示。 晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进 行工作。一般采用n+/p同质结的结构，即在约 10cm×10cm面积的p型硅片（厚度—0.3μm）的经 过重参杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线， 作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作 为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳电 池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再 覆盖一层减反射膜。
功率与电压的关系
900
800
700
600
500 400
系列1
300
200
100
0
0
2
4
6
8 10 12
功率与电阻的关系
900 800 700 600 500 400 300 200 100
0 0
500 1000 1500 2000 2500
系列1
THANKS
二、简介光伏效应
❖ 当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时， 只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带 宽Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产 生电子-空穴对。如果外电场处于开路状态， 那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近， 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
分别测量以下几种条件下光伏组件的 伏-安特性曲线
❖ ① 辐射光源与光伏组件的距离为60cm； ❖ ② 辐射光源与光伏组件的距离为80cm； ❖ ③ 辐射光源与光伏组件的距离为80cm，并且电池
板转过一角度（如30º度）；（演示实验） ❖ ④ 辐射光源与光伏组件的距离为80cm，将两组光
太阳能电池基本特性的测量
太阳能电池基本特性的测量***，物理学系摘要：本实验旨在测量、验证太阳能电池的一系列物理特性。
测量无光照条件下太阳能电池在正向偏压条件系下的伏安特性，推导并拟合了其特性曲线及发射系数，并试图用太阳能电池的理论模型来解释其伏安特性的分段性质。
同时笔者还解释了在固定光强下太阳能电池的负载特性，推算出了1000lux下的填充因子。
并且利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。
最后，使用不同滤色片滤光并测量对应太阳能电池短路电流，从而推算其禁带宽度。
关键词：太阳能电池伏安特性发射系数填充因子禁带宽度Measurement of the basic characteristics of solar cellsYixiong Ke, Department of PhysicsAbstarct：This experiment is aimed to verify the basic characteristics of solar cells. The author have measured the voltage characteristic of the solar cell without any illumination. Based on these data, the author also have calculated the emission coefficient, and tried to explain the same physics nature under the different quality in divided section. In addition, the load characteristic and the filling factor of the solar cell, under fixed light intensity, has also been measured. Similarly, by measuring the electric properties with color filters and photometers, the forbidden band width of the solar cell has been calculated as well.Key words: solar cells voltage characteristic emission coefficient filling factor forbidden band width一、引言太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等诸多优点。
4.5太阳能电池基本特性的测量
4.5太阳能电池基本特性的测量一、实验目的、意义和要求硅光电池又称太阳能电池，其结构简单，不需要电源，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等优点。
它既可以用作光信号探测器（光电传感器），在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用，又能将太阳能转换成电能，如果把许多硅光电池科学的串联或并联起来，可以建成太阳能发电站，为人类更有效的利用太阳能打开新的道路。
本实验要求学生通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面的了解。
二、参考书籍与材料1.杨之昌，马秀芳。
物理光学实验。
上海：复旦大学出版社，1993。
2.陆廷济，费定曜，胡德敬。
物理实验。
上海：同济大学出版社，1991。
3.曹泽淳，安其霖。
国产太阳能电池参数的研究。
应用科学学报，1（3），1983。
三、实验前应回答的问题1.试述太阳能电池的工作原理。
2.假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻R sh 与一个串联电阻R s 组成。
（1）画出太阳能电池受光照射下的等效电路。
（2）以R sh 、R s 、I ph （光电流）与I d （流过二极管的电流）表示，推导出上述等效电路的I~V 关系式。
（3）假设R sh =与R s =0，即两电阻都能被忽略，求出它的I~V 关系式，并证明此关系式可表达如下：∞，其中V oc 为开路电压，I sc 为短路电流，I 0、是常数。
)1ln(01+=−I I V sc oc ββ3.太阳能电池的主要结构是由一个二极管组成，在没有光的照射下，它的正向电压与电流之间的经验关系式为：，如何用实验方法加以验证？并画出实验线路图。
)1e (I I V 0−=β4.在不加偏压的情况下，如何测出太阳能电池的输出电压、输出电流与负载电阻之间的关系？画出测量电路图。
5.如何求得太阳能电池的最大输出功率？最大输出功率与它的最佳匹配电阻有什么关系？6.充填因子FF 是代表太阳能电池性质优劣的一个重要参数，它与哪些物理量有关？7.在测量太阳能电池的光照特性时，需要改变并确定入射于太阳能电池光束的光强，这可以通过什么方式实现？试写出至少两种改变入射光强的方法。
5.17-太阳能电池特性研究（讲义版）
实验5.17 太阳能电池的特性研究[前言]能源短缺和地球生态环境污染目前已经成为人类面临的最大问题。
本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。
另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO2、SO2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。
根据计算，现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。
我国能源消费以煤为主，CO2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO2、SO2等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。
推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。
广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能，它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。
太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。
太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。
在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m2，称为太阳常数。
到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。
在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射的功率密度约为1kW /m2，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。
太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。
每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。
太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。
太阳能发电有两种方式。
光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。
光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池特性的测量
a、画出测量线路图。
b、利用测得的正向偏压时I－U 值。
关系数据，画出I－U
曲线并求得常数β和I0
的
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20cm。
a、画出测量线路图。
b、测量电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出I－U 曲线图。
c、求短路电流 和I S C开路电压 。U O C
d、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。
e、计算填充因子 FF Pm (。Isc Usc)
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3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。
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J0 ；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关系。测量 太阳能电池接收到相对光强度J/ J0不同值时，相应的ISC 和U0C 的值。 a、描绘ISC 和相对光强度 J/J0 之间的关系曲线，求ISC 和与相对光强J/ J0 之间近似关系函数。 bJ、/ 描J0 绘之出间U近0似C和函相数对关光系强。度J/ J0之间的关系曲线，求U0C 与相对光强度
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I 对U 的变化关系,短
路电流、开路电压、最大输出功率及填充 因子。 3. 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。
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实验用仪器及材料
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
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太阳能电池的特性测量
太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s 。
2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。
3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。
原理当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1）。
那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。
只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。
在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，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。
只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。
这导致在n 区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。
它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。
这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect ）。
图1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。
当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。
同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I 为两个电流之差：)()(D S U I ΦI I -= （1）如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。
太阳能电池的基本特性测量
中文摘要太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是可利用的最直接的清洁能源之一。
而太阳能电池则是把太阳能直接转换电能的一种器件。
主要是通过光生伏打效应，简单的说，当物体受到光照时，其内部电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流。
本论文的目的在于测量太阳能电池的转换效率，在实验过程中采用的是晶体硅太阳能电池板，在暗室中以汞灯和钠灯作为光源，分别测出在钠灯和汞灯的照射下，不同距离、不同波长，不同负载，同一光照度的I-U，记录其数据并画出相关的U-I曲线。
讨论分析此太阳能电池板的性能，计算出其填充因子。
关键词：太阳能电池，转换效率，不同波长，不同负载，开路电压，填充因子AbstractSolar energy is the inexhaustible renewable energy, clean energy is one of the most directly available. The solar cell is the direct conversion of solar energy electric energy device. Mainly through the photovoltaic effect, said simply, when the objects are light, the internal charge distribution changes caused electromotive force and current.The purpose of this paper is to measure the conversion efficiency of solar cells used in the experiment, in the process of the crystal silicon solar panels, in the dark with mercury lamp and sodium lamp as the light source, were measured in the sodium lamp and mercury lamp irradiation, different distance, different wavelength, different load, with the illumination of I-U, record the data and draw the U-I curves. Discuss the performance analysis of the solar panels, calculate the fill factor.Keywords: solar cell conversion efficiency, different wavelength, different load, open circuit voltage, and fill factor目录第一章引言 (2)1.1能源危机 (2)1.2我国能源概况 (2)1.3太阳能发展历史及现状 (3)第二章太阳能电池的基本特性测量 (6)2.1太阳能电池测量原理 (6)2.2实验前的测量准备 (8)2.3太阳能电池在不同特性的参数测量 (8)2.3.1太阳能电池离光源不同距离特性测量 (10)2.3.2 太阳能电池在汞灯照射下的特性测量 (10)2.3.3 太阳能电池在钠灯照射下的特性测量 (16)2.3.4 相同光照度下太阳能电池的I-U曲线 (19)第三章结论 (22)参考文献 (23)致谢 (24)第一章引言1.1能源危机能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。
太阳能电池基本特性的测量
太阳能电池基本特性的测量本文由【】 搜集整理。
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目前硅太阳能电池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、太阳能收音机、太阳能电站，目前太阳能作为一种清洁、绿色的再生能源有着广泛的应用前景。
本实验主要研究太阳能电池的基本特性、吸收光能转变为电能的特性。
一、实验目的：（1）测定太阳能电池在无光照条件下的伏安特性，验证它与二极管具有相同的特性 （2）测定太阳能电池在光照时的输出特性，并求出短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子（3）测定太阳能电池随光照变化的特性。
二、实验仪器：光具座、太阳能电池、数字万用表两块、电阻箱、直流电源、光功率计和探头、开关、电路板、导线 三、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，正向偏压u 与通过电流I 的关系为0(1)u I I e β=-，0I 和β是常数。
根据半导体理论，二极管主要是由能隙为c v E E -的半导体构成，c E 为半导体电带，v E 为半导体价电带。
入射光光子的能量为hv (h 为普朗克常数，v 为光的频率)，当光子能量c v hv E E >-时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对，它们分别受到半导体内电场作用而产生光电流。
太阳能电池在工作时的简化电路如图所示，它可等效为一个电流源与二极管的并联。
由图可知：0(1)uph d ph I I I I I e β=-=--当输出短路时：0u = 短路电流sc ph I I I ==当输出开路时：0I = 代入上式得：(1)0u ph I I e β--= →0(1)oc u sc I I e β=-oc u 为开路电压 四、实验内容和要求：1、在无光照条件下测量太阳能电图一池正向偏压时的I U -特性（1）用盖板盖住太阳能电池，使太阳能电池在无光照条件下工作。
太阳能电池基本特性的测量(讲义)要点
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SCI 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。
《功能材料综合实验》实验讲义一、新能源材料实验
实验 2 锂离子电池正极材料的制备以及电化学表征实验
一、实验目的 1. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。 2. 通过测定磷酸铁锂的 XRD 粉末衍射数据，掌握橄榄石型磷酸铁锂正极材料的结
构特征。 3. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学表征方法。
二、实验内容 通过固相法合成磷酸铁锂正极材料，并制作成电极片，组装成纽扣电池测量其电化
四、实验仪器
太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表 1 只、电阻箱 1 只、 白炽灯光源 1 只（射灯结构，功率 ）、光功率计（带 直流稳压电源）、导线若干、遮光 罩 1 个等。
五、实验步骤
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 I~U 特性， 用实验测得的正向偏压时 I~U 关系数据，画出 I~U 曲线并求得常数 和 I0 的值。
学性能。 三、实验原理
锂离子电池充放电过程仅仅是通过正、负级材料的拓扑反应（如图 1 所示），即在 电池内部，充放电过程中电极材料仅发生锂离子的嵌入和脱出反应，并不产生新相，保 持自己原有的结构不变，当反应逆向进行时，又恢复原状，因此也称为“摇椅式电池”。
图 1[1] 以磷酸铁锂为例，充电时，Li+从正极材料中迁移出来，经过电解质进入负极，Fe2+ 被氧化成为Fe3+，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极。放电过程 进行还原反应，与上述过程相反，如下所示： 充电：LiFePO4 - xLi+ - xe - → xFePO4 + (1-x)LiFePO4 放电：xFePO4 + xLi++ xe- → xLiFePO4 + (1-x)FePO4 1997年开始引人关注的磷酸铁锂材料，因其无毒、对环境友好、原材料来源丰富、 比容量高、循环性能好，被认为可能成为锂电池的理想材料，LiFePO4 在自然界中以磷
太阳能电池的特性测量
太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s .2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。
3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。
原理当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1)。
那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。
只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度,总有一定几率扩散到结界面处.在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区,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。
只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。
这导致在n 区边界附近有光生电子积累,在p 区边界附近有光生空穴积累.它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。
这一现象称为光伏效应(Photovoltaic effect ）。
图1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。
当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。
同时,由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区,与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I 为两个电流之差:)()(D S U I ΦI I -= （1）如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。
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（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 [O C 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SCI 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。
太阳能电池特性的测量
光子
图1
电子 能隙
空穴
导电带 EC
价电带 EV
11.05.2021
5
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、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图2所示。
Iph-Id Rs
Id
I
+
Iph
Rsh
U
RL
Байду номын сангаас
-
图2 图2中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，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：
11.05.2021
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11.05.2021
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数据记录及处理
1、全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性
U/V I/μA
I/μA
11.05.2021
U/V 10
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。
I/μA
P/mW
U/V
3、测量太阳能电池ISC 和U0C 与相对光强J/ J0的关系。
Isc/μA
Uoc/V
R/ KΩ
J/J0 11.05.2021
J/J0 11
【预习题】
1、简述太阳能电池的特性和工作原理。 2、画出实验内容1和2所需的电路图。
【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。
a、画出测量线路图。
太阳能电池特性测量(简版)(1)
太阳能电池特性实验石化能源的短缺及其消耗所带来的环境污染已威胁到人类社会的可持续发展。
逐步推广使用太阳能、风能、水能等可再生能源能够有效应对这一问题。
广义的太阳能包括太阳光辐射能、水能、风能等可再生能源；狭义的的太阳能是指太阳光辐射能，其数量巨大，比目前全球所消耗的电力大数十万倍，相当于49000亿吨标准煤的燃烧值。
太阳能发电有两种方式：1）光-热-电转换方式，利用太阳光产生的热能发电；2）光-电转换方式，利用光生伏特效应将太阳能直接转换为电能。
根据所用材料不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池、聚合物太阳能电池、有机太阳能电池等。
其中硅太阳能电池技术是目前发展最成熟的，市场应用最广。
本实验使用的是单晶硅太阳能电池。
实验目的1、了解太阳能电池的概念、理解其工作原理；2、掌握太阳能电池特性曲线测量方法。
实验仪器单晶硅太阳能电池、碘钨灯、电阻箱、超级电容、风扇、LED灯、导线若干实验原理一、太阳能电池工作原理及特性二、太阳能电池对储能装置充电的两种方式本实验通过采用太阳能电池直接对超级电容充电和加DC-DC再对超级电容充电，说明不同充电方式下充电特性的不同及充电方式对超级电容充电效率的影响。
本实验所用DC-DC 采用输入反馈控制，在工作过程中保持输入端电压基本稳定。
若太阳能电池光照条件不变，并调节DC-DC使输入电压等于太阳能电池最大功率点对应的输出电压，即可实现在太阳能电池的最大功率输出下的恒功率充电。
理论上，采用最大功率输出下的恒功率充电，太阳能电池一直保持最大输出，充电效率应该最高。
在目前系统中，由于太阳能电池输出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使两种方式充电效率（以从同一低电压充至额定电压所需时间衡量）差别不大，但从测量结果可以看出充电特性的不同。
光伏系统常用的储能装置为蓄电池与超级电容器。
超级电容器通过极化电解质来储能，它由悬浮在电解质中的两个多孔电极板构成。
在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应。
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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SCI 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 shph 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 U0ph d ph --=-=β。
在短路时，0U =，sc ph I I =; 而在开路时,0I =,0)1e(I I ocU 0sc =--β;∴]1I I ln[1U 0scOC +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 μI 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 IU 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 (P200 4400 ３０0 ４６00 4０0 4800 ６0０ 5００0 8０0 5500 1000 600０ 1200 6５0０ 14007000３．测量太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系，用光强计测定不同光源距离时的光强值。
短路电流可以直接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流电压档量出。
把测量结果记录到表４中：表4 太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系表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(RΩ)V(U1)m V(U2)A(IμIln42.6１2．5１0．49 11.５0 2.44 30.15 2.５9 0．41 13.６0 2.61 ２1．60 2．6５0．3５16.20 2.79 1３.57 2.73 0．27 １9．90 ２.99 8．9４2．79 0．21 23.50 3.16 ５.4５ 2.85 0.15 27.50 ３.31 2.０4 2.93 ０．07 3４.30 3.54 0.00 3.0０0.00 40．80 3.711V 6361.2-=β，mA 102.15I 60-⨯=,相关系数9996.0r =,电流与电压的指数关系得到验证。
表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录)V (U 1 0.400 １.４９８ 2．034 2.２86 2.4１0 2.４８8 )m V (U 20.０１ ０．39 1.４0 2.５3 3．４6 ４．１6 )A (I μ 0.０１ 0.3９ 1.4０ 2.53 3.46 4.16 )V (U 1 2.601 2.654 2.727 2.7８7 2.８53 ２.92８ )m V (U 25.46 6．２1 7．49 8.７9 １0.4１ 1２.76 )A (I μ5.４66．217.４98.79１0．4１1２.7６由1e I IU 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２中最后6点数据处理得以下结果：1V 60.2-=β， mA 1028.6I 60-⨯=, 相关系数9998.0r = 。
表3 恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录RΩ(RΩ) ()表４ 太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系光源距离)mm (x)mW (J0J /J)mA (I SC)V (U OC15 1.67９ 1.00 1.43 3.９1 20 1.46０ ０.８6957 1.28 3.89 ２3 1．264 0.7528３ 1.１4 3.８6 2５1．１050.658１31.033.８3２7 0.9６0 ０.5７１77 0.93 3．81 ２9 0.8５０0．50６25 ０.８４ 3.79 30 0.750 0．４4６６9 0.77 3.77 ３1 0.611 ０.３6３91 0.6５ 3.7３32 0.５0０0.2９77９0.56 ３.6８３3 ０.418 ０.24896 ０.49 3．65 ３4 0.332 0.1９７74 ０.41 3.59 3５0.237 0.14116 0.３2 3.51从图1０和图１１中找出SC I 及OC U 与相对光强0J /J 的近似函数关系为:)J /J (A I 0sc = (5) C )J /J (BIn U 0oc += （6)利用最小二乘法拟合，得1722.0)J /J (2855.1I 0SC +=，相关系数9985.0r =;9207.3)J /J (In 2013.0U 0oc +=，相关系数9973.0r = 。
从最小二乘法拟合中,可知对短路电流SC I 和开路电压OC U 关系式（5)式和(6）式成立。
ＦＢ736型太阳能电池特性实验仪使用说明书一．概述:能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已成为世人关注的全球性问题。
为了经济持续发展及环境保护,人们正大量开发其它能源如水能、风能及太阳能的利用。
其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。
本仪器提供的实验，意在提高学生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池的基本光电特性,学会电学与光学的一些重要实验方法及数据处理方法。
可用本仪器做下列实验：1.在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管)，测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线,并求出其正向偏压时,电压与电流关系的经验公式。
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m P 及填充因子FF )]U I /(P FF [OC SC m •=。
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。