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）。在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流I D 可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流I D （U ）迅速增加。

图2 在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（U max ，I max ：最大功率点）

当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流等与光生电流I s 。当太阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U 0。

在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R 。太阳能电池的输出功率在最大负载电阻R max 时达到一个最大功率P max ，R max 近似等于太阳能电池的内阻R i 。

R i = U 0/I S （2）

这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小（见图2），它们之比为

S

0max

I U P F ⋅=

（3）

F 称为填充因数。

我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会导致更大的开路电压U 0，而并联会导致更大的短路电流I S 。在本实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录在四个不同的光照强度时电流和电压特性。光照强度通过改变光源的距离来实现。

此外，太阳能电池的输出功率

P=U·I （4）

是负载电阻

R=U /I （5）

的函数。

仪器

太阳能电池两块 插件板： A4大小

万用表两块

一个光源：卤素灯

一个稳压源：2~12V ，100W

图3 实验装置

仪器调整

实验装置见图3。

1. 把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来（串联起2个太阳能电池）。

2. 插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上。

3. 连接电流表，使它和电池、可变电阻串联。选择测量范围：直流200mA。

4. 连接电压表使之与电池并联，选择量程：直流2V。

5. 连接卤素灯与稳压源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光。

实验步骤

1. 接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变卤素灯的距离或调节光源输出光功率，使短路电流大约为45mA。

2. 逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流和电压值，记入表格1。

3. 断开电路，测量开路电压并记录。

4. 调节电源功率，调整短路电流约35mA，25mA和15mA，并重复上述测量。

5. 根据表1，用坐标纸或Excel绘出U-I曲线。

6. 根据表2，坐标纸或Excel绘出P-R特性曲线。

7. 计算表格3的物理量。

8．由表格4计算填充因数的平均值。

数据记录表格

表1：测量太阳能电池的端电压U和通过负载电阻的电流I(短路电流I S开路电压U0)

表2：根据表1测量的U和I值计算得到的P和R值

表3：对应于最大功率的负载电阻值R max和根据（2）式计算出的内阻值R i

表4：最大功率P max和开路电压与短路电流的乘积

思考题

1.由表1绘出的伏安特性曲线说明负载电阻R、端电压U及光的辐射强度之间的关系。

2.由表2绘出P-R特性曲线说明在一定的光照强度下，P与R之间的关系。

3.太阳能电池的短路电流与光照强度之间是什么关系

4.在一定的负载电阻下，太阳能电池的输出功率取决于什么何时输出功率最大且与光照强

度有怎样的关系

5.对于负载电阻较小时，太阳能电池表现出什么特性，而负载电阻较大时有什么特性