太阳能电池特性(精)
太阳能电池特性测试实验报告-资料类
太阳能电池特性测试实验报告-资料类关键信息项:1、实验目的2、实验设备与材料3、实验原理4、实验步骤5、数据记录与处理6、实验结果与分析7、误差分析8、结论与展望1、实验目的11 了解太阳能电池的工作原理和基本特性。
111 掌握太阳能电池的输出特性和效率的测量方法。
112 研究光照强度、负载电阻等因素对太阳能电池性能的影响。
2、实验设备与材料21 太阳能电池板211 光源模拟器212 数字万用表213 可变电阻箱214 数据采集卡及计算机3、实验原理31 太阳能电池的工作原理基于光伏效应,当光照射到半导体材料上时,光子能量被吸收,产生电子空穴对。
在内建电场的作用下,电子和空穴分别向两端移动,形成光生电动势。
311 太阳能电池的输出特性包括短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、最大输出功率(Pm)等。
312 太阳能电池的效率(η)定义为输出电功率与入射光功率之比。
4、实验步骤41 连接实验设备,将太阳能电池板与光源模拟器、数字万用表、可变电阻箱等连接好。
411 调节光源模拟器的光照强度,设置不同的光照条件。
412 改变可变电阻箱的电阻值,测量太阳能电池在不同负载电阻下的输出电压(V)和输出电流(I)。
413 记录数据,包括光照强度、负载电阻、输出电压和输出电流等。
5、数据记录与处理51 将测量得到的数据整理成表格形式,包括光照强度、负载电阻、输出电压、输出电流等。
511 计算太阳能电池的短路电流(Isc)、开路电压(Voc)和最大输出功率(Pm)。
512 根据公式计算太阳能电池的效率(η)。
6、实验结果与分析61 绘制太阳能电池的输出特性曲线,包括输出电压输出电流曲线(VI 曲线)和输出功率输出电压曲线(PV 曲线)。
611 分析光照强度对太阳能电池输出特性的影响,随着光照强度的增加,短路电流和开路电压均增大。
612 研究负载电阻对太阳能电池输出功率的影响,存在一个最佳负载电阻,使得输出功率达到最大值。
太阳能电池特性
内容
9
I ( mA )
U(V)
R(Ω)
P (m W )
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在坐标纸上绘制太阳能电池的伏安特性曲线(即 I~V 曲线)
·2·
(3)短路电流 Is =25 mA;开路电压 U0=
内容
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I ( mA ) U(V)
R(Ω) P (m W )
内容
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I ( mA )
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在坐标纸上绘制太阳能电池的伏安特性曲线(即 I~V 曲线)
·3·
2.最大负载电阻 Rmax 和太阳能电池的内阻 Ri
结果/组数 Rmax (Ω) Ri (Ω) Rmax/ Ri
第一组 第二组 第三组 第四组
Rmax 是最大功率对应的电阻,Ri 是太阳能电池内阻(Ri = U0/ Is)
3.最大输出功率 Pmax 和开路电压与短路电流的乘积
结果/组数 Pmax (m W ) U0·Is(m W ) F=Pmax/ (U0·Is)
第一组
第二组
第三组
U0 是开路电压,Is 是短路电流,F 是填充因数
第四组
·4·
内容
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I ( mA ) U(V)
R(Ω) P (m W )
内容
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I ( mA )
U(V)
R(Ω)
P (m W )
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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(I sc)、开路电压(U OC)、最大输出功率P m及填充因子FF ,[FF P m /(I SC ? 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/J0之间关系,画出I sc与相对光强J/J o之间的关系图;测量开路电压U OC和相对光强度J/J o之间的关系,画出U OC与相对光强J/J o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:I l°?(e u 1) (1)(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为圉丄电子■和夸冗在电场的作用下产哇光申潼半导体导电带,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) 、一个理想二极管、一个并联电阻 只前与一个电阻R s 所组成,如图2所示。
太阳能电池特性测试实验报告
太阳电池特性测试实验太阳能是人类一种最重要可再生能源,地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。
利用太阳能发电方式有两种:一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。
其中,光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的,称为太阳能光伏技术,而光—电转换的基本装置就是太阳电池。
太阳电池根据所用材料的不同可分为:硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。
其中,硅太阳电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。
硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。
单晶硅太阳电池转换效率最高,技术也最为成熟,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但单晶硅成本价格高。
多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池。
非晶硅薄膜太阳电池成本低,重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力,但稳定性不高,直接影响了实际应用。
太阳电池的应用很广,已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门,尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。
目前,中国已成为全球主要的太阳电池生产国,主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。
一、 实验目的1. 熟悉太阳电池的工作原理; 2. 太阳电池光电特性测量。
二、 实验原理(1) 太阳电池板结构以硅太阳电池为例:结构示意图如图1。
硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成,在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极,背面也制作金属膜作为接触电极,这样就形成了太阳电池板。
为了减小光的反射损失,一般在表面覆盖一层减反射膜。
(2) 光伏效应当光照射到半导体PN 结上时,半导体PN 结吸收光能后,两端产生电动势,这种现象称为光生伏特效应。
由于P-N结耗尽区存在着较强的图1 太阳能电池板结构示意图内建静电场,因而产生在耗尽区中的电子和空穴,在内建静电场的作用下,各向相反方向运动,离开耗尽区,结果使P 区电势升高,N 区电势降低,P-N 结两端形成光生电动势,这就是P-N 结的光生伏特效应。
太阳能电池原理及特性
1.1 太阳能电池原理1.1.1半导体材料对光的吸收太阳能电池,又叫光伏电池,是一种利用太阳光直接发电的光电器件。
太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的,而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料,常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体可以是元素,如硅(Si)和锗(Ge),也可以是化合物,如硫化镉(CdS)和砷化镓(GaAs),还可以是合金,如GaxAL1-xAs,其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物,如蒽也是半导体。
当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时,一部分被半导体表面反射回来,一部分进入半导体被吸收,还有一部分将透过半导体。
在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定:I(x) = I0 (1—R)e—αx (3—1)其中α为与波长相关的吸收系数,R为半导体表面的反射率。
在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。
如图3-1所示,位于价带的一个电子,吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带,在价带中留下一个空穴,形成了一个电子空穴对。
这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。
这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。
在晶格图象中,硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子,同时在共价键断裂处留下一个空穴。
图3-1 载流子的本征吸收一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带,则被吸收的光子必定要满足:hf≥Eg(3—2)或者:h c/ λ≥Eg(3—3)硅的禁带宽度Eg = 1.119eV,因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。
与本征吸收对应的是非本征吸收,非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。
激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg 的光子而离开价带,但却无法进入导带成为自由电子。
该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用,形成一个新的电中性系统,称为激子。
太阳能电池片的特性及主要性能参数_太阳能光伏组件生产制造工程技术_[共3页]
第2章 太阳能光伏组件的原材料及部件25 单晶硅与多晶硅电池片到底有哪些区别呢?由于单晶硅电池片和多晶硅电池片前期生产工艺的不同,使它们从外观到电性能都有一些区别。
从外观上看:单晶硅电池片四个角呈圆弧缺角状,表面没有花纹;多晶硅电池片四个角为方角,表面有类似冰花一样的花纹(业内称为多晶多彩),也有一种绒面多晶硅电池片表面没有明显的冰花状花纹(业内称为多晶绒面);单晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为黑蓝色,多晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为蓝色。
对于使用者来说,相同转换效率的单晶硅电池和多晶硅电池是没有太大区别的。
单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好。
虽然单晶硅电池的平均转换效率比多晶硅电池的平均转换效率高1%左右,但是由于单晶硅太阳能电池只能做成准正方形(4个角为圆弧状),当组成太阳能电池组件时就有一部分面积填不满,而多晶硅太阳能电池是正方形的,不存在这个问题,因此对于太阳能电池组件的转换效率来讲几乎是一样的。
另外,由于两种太阳能电池材料的制造工艺不一样,多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳能电池少30%左右,所以多晶硅太阳能电池占全球太阳能电池总产量的份额越来越大,制造成本也将大大小于单晶硅电池,所以使用多晶硅太阳能电池将更节能、更环保。
2.1.3 太阳能电池片的等效电路分析太阳能电池的内部等效电路如图2-5所示。
为便于理解,我们可以形象地把太阳能电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体,即在光电池的两端并联了一个处于正偏置下的二极管,同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。
由于二极管的存在,在外电压的作用下,会产生通过二极管P-N 结的漏电流I d ,这个电流与光生电流的方向相反,因此会抵消小部分光生电流。
串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成的,其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势,包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外,效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时,必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系,这种改变并没有带来转换效 率的提升,因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系,转换效率得以提升。因此,在聚光条件下,
VOC随着光强上升呈对数形式增加,如下面式子所示:
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时,并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小,而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小,分流到并联电阻的电流将增加,即增加了能量损失。 在多云的天气下,并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中,引起串联电阻的因素有三种: 第一,穿过电池发射区和基区的电流流动; 第二,金属电极与硅之间的接触电阻; 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
太阳能电池基本特性实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除太阳能电池基本特性实验报告篇一:实验报告--太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名:张伟楠班级:F0703028学号:5070309108实验成绩:同组姓名:张家鹏实验日期:08.03.17指导教师:批阅日期:太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1.太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例,其结构示意图如图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(厚度约500μm)上用扩散法制作出一层很薄(厚度~0.3μm)的经过重掺杂的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.图一太阳电池结构示意图2.光伏效应图二太阳电池发电原理示意图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eg,则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对.那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散.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,存在一空间电荷区,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.这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内建电场的作用下被拉向p区.同样,如果在结附近p区中产生的少数载流子(电子)扩散到结界面处,也会被内建电场迅速被拉向n区.结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区.如果外电路处于开路状态,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(photovoltaiceffect,缩写为pV).3.太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应.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Iph.同时,由于pn结二极管的特性,存在正向二极管电流ID,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(1)式中VD为结电压,I0为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流,其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的.n称为理想系数(n值),是表示pn结特性的参数,通常在1~2之间.q为电子电荷,kb为波尔茨曼常数,T为温度.如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,VD即为太阳电池的端电压V,则(1)式可写为(2)当太阳电池的输出端短路时,V=0(VD≈0),由(2)式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流,与入射光的强度成正比.当太阳电池的输出端开路时,I=0,由(2)和(3)式可得到开路电压(3)当太阳电池接上负载R时,所得的负载伏–安特性曲线如图2所示.负载R可以从零到无穷大.当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时,它对应的最大功率pm为(4)式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将Voc与Isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子FF,则(5)FF为太阳电池的重要表征参数,FF愈大则输出的功率愈高.FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等.太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能pin之比,即(6)图三太阳电池的伏–安特性曲线4.太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示,如图3所示,该电路为太阳电池的等效电路.由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为(7)为了使太阳电池输出更大的功率,必须尽量减小串联电阻Rs,增大并联电阻Rsh.【实验数据记录、实验结果计算】◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下:表11.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线2.各个条件下,光伏组件的输出功率p随负载电压V的变化【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出:1.光照距离越近,也即是光强越大,电池产生的电动势越大(但不能断定是否有上界);2.研究电动势的大小,两个电池并联,电动势几乎不变,电池串联,电动势大致增大一倍;3.研究电池电阻的大小,在I-V图里,函数线越陡,电阻越小,函数线越平坦,电阻越大。
太阳能电池光伏特性研究
太阳能电池光伏特性研究太阳能光伏电池特性实验研究太阳能光伏电池的输出具有⾮线性,这种⾮线性受到外部环境(包括⽇照强度、温度等)以及本⾝技术指标(如输出阻抗)的影响,从⽽使得太阳能电池的输出功率发⽣变化,其实际转换效率受到⼀定限制。
因此,对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了⼀个重要课题[1]。
与跟踪式太阳能光伏系统相⽐,固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。
太阳能光伏电池表⾯温度将随辐射能的增强⽽升⾼,在⼀定程度上影响了太阳能电板的输出功率。
本⽂主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进⾏了实验研究。
1、理论分析理想的太阳能电池可以看做是⼀个产⽣光⽣电流I ph 的恒流源与⼀个处于正向偏置的⼆极管并联,如图1所⽰。
如果负载R L 短路了,电路只有光⽣电流I ph ,光强越强,电⼦-空⽳对的产⽣率越⾼,光⽣电流I ph 越⼤,即短路电流I sc 为:sc ph I I =-(1)II图1 理想太阳能电池等效电路[2]如果负载R L 不短路,那么P-N 结内流过的电流I d ⽅向与光⽣电流⽅向相反,会抵消部分光⽣电流,使少数载流⼦注⼊和扩散。
太阳能电池输出的净电流I 是光⽣电流I ph 和⼆极管电流I d 之差,故太阳能电池的光伏I-V 特性可表⽰为:ph d ph exp 1O qV I I I I I nkT ??=-=--(2)式中:I o ——反向饱和电流;n ——理想因⼦,由半导体材料和制造技术决定,n=1~2;V ——⼆极管电压;k ——波尔兹曼常数;q ——电⼦电量;T ——⼆极管绝对温度。
当电流I =0时,这意味着产⽣的光⽣电流I ph 正好等于光电压V oc 产⽣的⼆极管电流I d ,即I ph =I d 。
从式(2)可得出V oc 为:ph 01OCI nkT V In q I ??=+(3)I-V 特性曲线是测量太阳能电池参数的常⽤曲线。
电池的开路电压V oc 由I-V 曲线与V 轴的交点(I =0)给出。
太阳能电池特性测试实验报告
太阳能电池特性测试实验报告一、1.1 实验目的与意义随着科技的不断发展,太阳能作为一种清洁、可再生的能源越来越受到人们的关注。
为了更好地了解太阳能电池的性能,提高太阳能电池的转换效率,我们进行了一次太阳能电池特性测试实验。
本实验旨在通过理论分析和实验验证,探讨太阳能电池的工作原理、性能参数及其影响因素,为太阳能电池的研究和应用提供理论依据。
二、2.1 实验原理太阳能电池是一种将太阳光能直接转化为电能的装置。
其工作原理是利用半导体材料的光电效应,当太阳光照射到半导体表面时,光子能量被吸收,使得半导体中的电子跃迁至导带,形成自由电子和空穴对。
在P-N结界面,自由电子和空穴相遇时,产生电场,从而产生电流。
太阳能电池的输出电压与太阳辐射强度成正比,输出电流与太阳辐射强度的平方成正比。
三、3.1 实验设备与材料1. 太阳能电池模块:用于接收太阳光并产生电流。
2. 数字万用表:用于测量电流和电压。
3. 短路开关:用于保护电路。
4. 直流电源:用于给太阳能电池模块供电。
5. 光纤激光器:用于产生单色光束。
6. 光谱仪:用于测量光强和光谱。
7. 数据处理软件:用于记录和分析实验数据。
四、3.2 实验步骤与方法1. 将太阳能电池模块安装在光源和数字万用表之间,确保模块表面与光源平行。
2. 用短路开关连接太阳能电池模块的正负极。
3. 用直流电源给太阳能电池模块供电。
4. 用光纤激光器产生单色光束,使其经过一个分束镜后分为两束光线。
5. 其中一束光线经过一个透镜后聚焦在太阳能电池模块上,另一束光线经过一个偏振片后得到一个具有一定相干度的光束。
6. 将光谱仪放置在聚焦后的光线附近,测量光强和光谱分布。
7. 用数据处理软件记录实验数据,并进行分析。
五、实验结果与分析通过本次实验,我们得到了太阳能电池模块的输出电流和电压数据。
我们还观察到了太阳光在经过分束镜、透镜和偏振片后的光谱分布情况。
根据实验数据和光谱分析结果,我们得出了太阳能电池的光电转换效率以及其随太阳辐射强度变化的关系。
太阳能电池特性研究
0.3 0.052 0.008 0.004 2.2 5.9 1.854 0.053 3 175.4 93 1.089
0.6 0.119 0.021 0.007 2.3 8.1 2.9 0.071
0.9 0.238 0.045 0.011 2.4 11.7 4.5 0.101
从图和数据可以看出,在无光照射的情况下,三种太阳能电池呈现出了典型的 P-N 结特征。 即在正向电压增加到一定数值时,电流迅速增大。而在有着负向电压时,电池类似于断路, 即电阻非常大。还可以看出,单晶硅的 P-N 结特性十分明显,多晶硅其次,而非晶硅相比之
下 P-N 结特性就不是十分明显了,但是它仍然有明显的 P-N 结特性,将其图单独画出:
2. 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 开路电压即电池的电动势,是所有电池的一项重要指标,实验通过改变照射在太阳能电 池上的光功率测量其开路电压,光功率的变化由到光源的不同距离控制。 实验数据:
10 15 20 25 P/(W/m^2) 1048 510 268 166 单晶硅/V 2.8 2.65 2.54 2.44 多晶硅/V 2.93 2.8 2.69 2.61 非晶硅/V 3.11 2.99 2.9 2.83 用 origin 绘制出开路电压与光功率的关系图:
0.013 0.207 0.403 0.602 0.81 8.7 8.2 8 7.9 7.8 多 晶 U/V 0.014 0.208 0.408 0.598 0.801 硅 I/A 14 13.7 13.5 13.2 13 非 晶 U/V 0.001 0.2 0.4 0.6 0.8 硅 I/A 1.513 1.494 1.44 1.415 1.373 作出在 P=122W/m^2 时,三种电池的伏安特性曲线为:
太阳能电池及特性
光生电流密度Jph理论极限值/mAcm-2
90
80
70
黑体辐射
60 AM0
50
40
AM1.5
30
20
10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
禁带宽度Eg/eV
§4.1 PN结的光生伏特效应
§4.1.2 光电压
光照射在p-n结的太阳能电池时,由于光生伏特效应,在 p-n结两端形成与内建电场相反的电动势,即光生电压。
光子的数量的比例。
W
QE 0 GR(x)CP(x)dx
量子效率与波长相对应,即与光子能量相对应。 如果某个特定波长的所有光子都被吸收,并且其所产生的
少数载流子都能被收集,则这个特定波长的所有光子的量 子效率都是相同的。 而能量低于禁带宽度的光子的量子效率为零。
§4.1.1 光生电流
通常,波长小于350nm的光子的量子效率不予测量,因为 在1.5大气质量光谱中,这些短波的光所包含能量很小。
§4.2.1 理想太阳能电池的伏安特性
短路电流Isc : 将太阳电池短路,V=0,则ID=0,所得电流为短路电流ISC
I SC I ph
短路电流Isc是太阳能电池能输出的最大电流 开路电压Voc : 太阳能电池开路,输出电流I=0,即Iph=ID:
特性。 在耗散区的所有光生载流子的收集概率都是相同的,因为
在这个区域的电子空穴对会被电场迅速地分开。 在远离电场的区域,其收集概率将下降。 当载流子在与电场的距离大于扩散长度的区域产生时,那
么它的收集概率是相当低的。
§4.1.1 光生电流
收集概率: 当载流子在与内建电场外的区域产生时,非平衡少数载流 子边扩散边复合,它扩散到内建电场边界的概率,既是收集 概率。在N区产生的空穴的收集概率如式
太阳能电池特性测试实验报告-资料类
太阳能电池特性测试实验报告-资料类关键信息项:1、实验目的2、实验设备3、实验原理4、实验步骤5、数据记录与处理6、实验结果7、误差分析8、结论11 实验目的本次实验旨在深入了解太阳能电池的工作特性,包括其输出电压、电流与光照强度、负载电阻等因素之间的关系,从而为太阳能电池的应用和优化提供数据支持。
111 具体目标测量太阳能电池在不同光照条件下的输出特性。
研究太阳能电池的短路电流和开路电压随光照强度的变化规律。
分析太阳能电池的输出功率与负载电阻的关系。
12 实验设备太阳能电池板光源模拟器(可调节光照强度)数字万用表可变电阻箱数据采集系统121 设备参数太阳能电池板的规格和型号:____________________光源模拟器的光照强度调节范围:____________________数字万用表的精度和测量范围:____________________可变电阻箱的阻值范围和调节精度:____________________13 实验原理太阳能电池是基于半导体的光伏效应将光能转化为电能的器件。
当光子入射到半导体材料中,会激发电子从价带跃迁到导带,产生电子空穴对。
在内建电场的作用下,电子和空穴分别向不同方向移动,形成电流和电压。
131 短路电流(Isc)当太阳能电池的输出端短路时,测量得到的电流即为短路电流,它与光照强度成正比。
132 开路电压(Voc)当太阳能电池的输出端开路时,测量得到的电压即为开路电压,它随光照强度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓。
133 输出功率(P)太阳能电池的输出功率等于输出电压(V)与输出电流(I)的乘积,即 P = V × I。
当负载电阻与太阳能电池的内阻匹配时,输出功率达到最大值,称为最大功率点(MPP)。
14 实验步骤141 实验准备检查实验设备是否完好,确保各仪器的连接正确。
将太阳能电池板放置在光源模拟器下方,调整位置使其均匀受光。
142 测量短路电流和开路电压调节光源模拟器的光照强度为最小值,测量太阳能电池的短路电流Isc 和开路电压 Voc ,记录数据。
太阳能电池伏安特性
Pm J mVm
2)填充因子
Pm J mVm FF J sc Voc J sc Voc
3)光电转换效率
Pm J mVm (%) ,Pin 表示入射到太阳能电池 上的辐照度 Pin Pin
材料的禁带宽度直接影响到光能转换为电能的效率,理想 的情况是用Eg值介于1.2~1.6eV的材料制作成太阳能电池, GaAs和CdTe是带隙较为理想的材料
太阳能电池伏安特性影响因素
(1)辐照度影响
不同辐照强度太阳电池的J-V曲线
(2)温度的影响
太阳能电池的效率随温度的升高而下降,主要原因是电池的开 路电压随温度的升高而下降,电池的短路电流对温度不敏感, 且随温度升高略有上升
太阳能电池的伏安特性
太阳能电池的工作原理 理想太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线 实际太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线 太阳能电池伏安特性测试和影响 因素
太阳能电池的工作原理
当太阳光照射到太阳能电池上并被吸收时,其中能量大于 电池吸收材料禁带宽度Eg的光子把价带中电子激发到导带 上去,形成导带电子,价带中留下带正电的空穴,即电 子——空穴对,通常称它们为光生载流子。导带电子和价 带空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区,被该区 的内建电场分离,电子被扫到电池的n型一侧,空穴被扫 到电池的p型一侧,从而在电池上下两面(两极)分别形成 了正负电荷积累,产生“光生电压”。如果在电池的两端 接上负载,在持续的太阳光照下,就会不断有电流经过负 载,这就是太阳能电池的基本工作原理。
J sc k BT pn结两端的电压即为开路 电压Voc,Voc ln(1 ) q J0
3)外接负载,正常工作状态
理想太阳能电池伏安特性曲线
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如何设计锂离子电池充电器,以从太阳能电池板获得最大电力
作者:Jinrong Qian,德州仪器(TI) 应用工程设计经理和Nigel Smith,TI 系统工程师摘要
太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力,也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。
近期,我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。
不过,太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境,如光照强度、时间、地点等因素。
电池通常用作能量存储设备,如果太阳能电池板能提供更多电力,就可给电池充电;如果太阳能电池板提供的电力不足,那么反过来电池就给系统供电。
我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢?首先,我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性,然后,我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题,从而尽可能地利用太阳能电池。
太阳能电池的I-V 特性
基本上,太阳能电池包括一个p-n 接点,光能(光子)在此使得电子和空穴重新组合,从而产生电流。
由于p-n接点的特性类似于二极管,因此我们通常将图1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。
此处插入图1
图1 :太阳能电池的简化电路模型
电流源IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。
在不接负载时,几乎所有生成的电流都流经二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。
VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。
但对大多数硅电池来说,VOC 值都在0.5V~0.6V
之间,这也是p-n 接点二极管的正常正向电压范围。
并行电阻(RP) 表示实际电池发生的较小漏电流,而Rs 则表示连接损耗。
随着负载电流的增加,太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。
对大多数负载电流值来说,这对输出电压仅产生很小的影响。
图2 显示了太阳能电池的输出特性。
太阳能电池的输出随着二极管的I-V 特性不同而略有变化,且串联电阻(RS) 也会造成较小的压降,但输出电压基本保持为常量。
不过,在某一时刻,通过内部二极管的电流会非常小,导致偏置不足,这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。
最后,当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时,输出电压为零。
这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC),它与VOC 都是决定电池工作性能的主要参数,因此,我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。
当输出电流增加时,输出电压会下降,最后降为零,这时负载电流为短路电流。
此处插入图2
图2 :典型的太阳能电池I-V 特性
在大多数应用中,理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。
由于输出功率是输出电压与电流的乘积,因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值,即所谓的最大功率点(MPP)。
在一种极端情况下,输出电压为最大值(VOC),但输出电流为零;在另一种极端情况下,输出电流为最大值(ISC),但输出电压为零。
在上述两种情况下,输出电压与电流的乘积均为零,因此,MPP 必须在两种极端情况之间。
我们可以很容易地证明(或通过实验观察到),不管在何种应用,MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处(见图3)。
实践中的问题在于,太阳能电池MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化,因此,为了尽可能利用太阳能,系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。
此处插入图3
图3 :太阳能电池输出特性
优化电池充电器设计,以从太阳能电池板获得最大电力
我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的MPP,不过这些方法通常会比较复杂,特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。
不过,在许多低成本系统中,我们并不必强求MPP 跟踪系统的精确性。
简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的90% 左右就可以了。
充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近MPP 呢?
动态电源路径管理(DPPM) 技术能满足跟踪MPP 的设计挑战。
图 4 显示了锂离子电池充电应用的电路,可实现太阳能电池板电力的最大化,且我们能用MOSFET Q2 来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。
太阳能电池板用作电源,对单节锂离子电池进行充电。
太阳能电池板包括一系列硅单元串,每串包括11 个硅单元,就好像电流有限的电压源,电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。
DPPM 能够监控系统总线电压(VOUT) 随电流限制电源的下降。
系统总线连接的电容(Co) 开始放电,一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流,就会使系统总线电压下降。
一旦系统总线电压降到预设的DPPM 阈值,电池充电控制系统将在DPPM 阈值位置调节系统总线电压。
我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的,从而获得太阳能电池板的最大电力。
DPPM 控制电路设法达到稳定状态条件,使系统获得所需的电力,并用剩余电力给电池充电,这样,我们就能最大化太阳能电池板的电力,并提高系统的可靠性。
此处插入图4
图4:用太阳能电池板给一节锂离子电池充电
图中太阳能电池板提供的最大输出电压(VOC) 通常在5.5V~6.0V 之间。
由于该电压低于预定义的6V 输出调节电压,因此MOSFET Q1 完全打开。
如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根据光照量决定的输出电流,那么太阳能电池板的输出电压将降低,从而减小输出电压(VOUT)。
当VOUT 降至VDPPM 时(也是太阳能电池板的输出电压),充电电流降低。
如VDPPM 设置靠近MPP 的话,那么太阳能电池板这时将工作在靠近MPP 的位置。
我们通过对RDPPM 进行适当编程,使其达到一定的值,确保VOUT 保持最小为 4.5V,从而实现上述目的。
我们之所以使用VDPPM 的值,是因为它合理地对应于太阳能电池板的MPP。
假定MOSFET Q1 上的压降为300mV,那么每个单元上的压降将等于436mV,这将最大化太阳能电池板的功率输出。
如果VOUT 大于 4.5V,那么DPPM 不起作用,太阳能电池板将远离其MPP。
不过,只有系统和电池充电器所需的电力小于太阳能电池板的供电量时,才会发生上述情况。
这时,效率降低并不会很重要。
图3 显示出,输出功率接近MPP 时,其曲线比较平坦,随后会急剧下降,因此我们最好将VDPPM 设得略高一些,而不要设得略低,这将尽可能降低因工作电压设置不当而对输出功率产生不良影响。
假如即便电池充电电流降至零时,太阳能电池板可用的电力也不足以给系统供电的话,那么MOSFET Q 2将完全打开,VOUT 刚好降至电池电压VBAT 值以下,且电池可提供太阳能电池板所不能提供的电流。
如充电器工作于DPPM 中时,内部安全定时器会自动扩展。
这样,在低光照或无光照等特殊工作条件下,电池充电会非常慢,抑或电池会处于放电模式。
我们几乎不可能就所有应用设置适当的充电安全定时器,否则就可能导致安全定时器出错,因此我们可通过禁用安全定时器来解决相关问题。
总结
我们认为,太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。
我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时,通过降低充电电流并在MPP 附近调节系统总线电压,从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。
系统电源和电池充电电源控制架构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的关键组成部分。
关于作者
Jinrong Qian 是TI 便携式电源电池管理部的应用工程设计经理及科技委员会的资深委员。
他发表了40 多篇关于电源电子事务处理和电源管理方面的文章,都得到同行的好评,还拥有19 项美国专利。
他于1985 年自浙江大学获得电子工程学士学位,并于1997 年自弗吉尼亚工学院(Virginia Polytechnic Institute)和弗吉尼亚州立大学(State University) 获得博士学位。
Jinrong 的联系方式为:ti_jinrongqian@。
Nigel Smith 是TI 便携式应用的电源系统设计部的系统工程师。
加入TI 前,Nigel 曾在航天产业中工作过几年,其间曾设计多种镍镉和锂离子卫星电源系统。
他自英国索尔福德大学(Salford University)获得电子理学士学位。
Nigel 的联系方式为:ti_nigelsmith@。