太阳能电池基本特性的测量(讲义)要点

系函数。
（2）描绘出 U OC 和相对光强度 J / J 0 之间的关系曲线， 求 U OC 与相对光强度 J / J0 之间近
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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
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
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
2
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
J / J0 不同
值时，相应的 I SC 和 U OC 的值。
（1）描绘 I SC 和相对光强度 J / J0 之间的关系曲线，求 I SC 和与相对光强 J / J0 之间近似关
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
将有较大的误差，把测量结果记录到表 2 中 。
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
U 1 (V )
U 2 (mV )
I( A)
由I I0
e U 1，当 U 较大时， e U
1 ，即 ln I
U ln I 0 ，通过线性关系求出 : , I 0
的值。 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
与相对光强 J / J 0 之间的关系图；测量开路电压 U OC 和相对光强度 J / J 0 之间的关系，
画出 U OC 与相对光强 J / J0 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，
过电流 I 的关系式为：
I Io (e U
在没有光照时其正向偏压
1)
(1)
U 与通
I(1 R s ) I ph
U I d （ 3）
R sh
R sh
假定 R sh
和 R s 0 ，太阳能电池可简化
为图 3 所示电路。 这里， I I ph I d I ph I 0 (e U 1) 。
在短路时， U 0 ， I ph I sc ； 而在开路时， I 0 ，I sc I 0 (e U oc 1) 0 ；
(1) 式中， I o 和 是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为
E C E V 的半导体构成，如图 1 所示。 E C 为
半导体导电带， E V 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）
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
项目
次数
R(k )
U (V )
U R (mV )
I( A)
ln I
1 2 3 4 5 6 7 8
3
若用户备有 0 ~ 3.0V 直流可调电源， 则可采用图 6 实验线路： 正向偏压在 0 ~ 3.0V 变 化条件下，用 R 1000 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
（ 3）用 外推法 求短路电流 I SC 和开路电压 U OC 。
（ 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 [FF Pm /( I SC U OC )] 。
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 20cm 水平距离光强作为标准光照强度，
路 电 流 ( I SC ) 、 开 路 电 压 ( U OC ) 、 最 大 输 出 功 率 Pm 及 填 充 因 子 FF ，
[FF Pm /( ISC U OC )] 。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 I SC 和相对光强度 J / J 0 之间关系， 画出 I SC
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 40W ）、光功率计（带 3V 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 压从 0-3.0V ） （ 1）画出测量实验线路图。
I ~ U 特性（直流偏
（ 2）利用测得的正向偏压时 I ~ U 关系数据，画出 I ~ U 曲线并求得常数 和 I 0 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 20cm 。
（ 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 I ~ U 曲线图。
U OC
1 ln[ I sc 1] I0
（ 4）
（ 4）式即为在 R Sh
和 R S 0 的情况下，太阳能电池的开路电压 U OC 和短路电流
1
I SC 的关系式。其中 U OC 为开路电压， ISC 为短路电流，而 I 0 、 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
、一个理
想二极管、一个并联电阻 R sh 与一个电阻 R s 所组成，如图 2 所示。
图 2 中， I ph 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，
I d 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：
IR s U (I ph I d I )R sh 0
（ 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，