太阳能电池性能的研究

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计算出不同负载电阻时的功率数值，并绘制出负载电阻（KΩ）与功率 P（mW）的关系曲 线，在曲线上找出功率最大值和对应的最佳负载 R，利用公式（１）计算出太阳能电池的填 充因子 FF
Pmax 。 I scU oc
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2. Байду номын сангаас阳能电池的短路电流 Isc、开路电压 Uoc 与相对光强关系的测量 表 2 光强比与开路电压、短路电流的测量 光强比值 10％ 20％(Ⅰ) 30％ 40％(Ⅱ) 50％ 60％(Ⅲ) 70％ 80％(Ⅳ) 90％ 绘制 3 种关系曲线（光强比与开路电压、光强比与短路电流以及开路电压与短路电流） ，分 析它们之间的相互关系。求出近似函数关系并对比开路电压和短路电流的关系。 ISC /mA Uoc/V
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接起来） ，此时重复光照状态下的测试实验，观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开 路电压、短路电流与并联时的区别。并思考实际短路电流与理论上的不同之处。注意并联光 电池应该是同一种类的。 5. 太阳能电池的伏安特性曲线的研究 在没有光照的情况下，测量在正向偏压的情况下，太阳能电池的伏安特性曲线。 关闭白炽灯，用遮光板将太阳能电池完全盖住，将“明暗状态开关”拨到“暗状态” ， 太阳能电池处于全暗状态，把可调电阻调到最大，此时负载电压 u2 是负载电阻两端电压， 将加载电压 U1 从 0 开始逐渐增大， 太阳能电池两端电压 u 等于加载电压 U1 减去负载电压 U2。 观察负载电压 u2 和电流值，当负载电压 u2 或电流值不为零时开始测量，加载电压每隔 0.2V 左右测量负载电压 u2 和电流值，要求不少于 10 个测量点。此时太阳能电池如同一个二极管 的工作。
绘制太阳能电池的伏安特性曲线（U～I） ，把它与二极管加正向偏压下的状态作个比较。求 出正向偏压时，太阳能电池电压与电流的经验公式。
七、 注意事项 1. 红黑线的串并联过程中，需要将红线或黑线插入需要连接的线头中间的插孔。 2. 白炽灯带高压，拆卸时需将电源关闭，不要带电插拔电源机箱后方的航空插头。
六、 数据表格及数据处理 1. 太阳能电池填充因子的测量 表 1 不同负载电阻时的负载电压和光电流的测量 本底光电流 I0 = 短路电流 Isc= 负载电压 U/V （mA） ( mA ) 光电流 I/mA 开路电压 Uoc= 负载电阻（KΩ） R=U/I ( V ) 功率 P（mW） P=IU
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式中 I0 和β是常数，I0 为太阳能电池反向饱和电流， = 2.6*10-2 V-1 。
（2）
k BT = 1.38x10-23x300/1.602X10-19 e
在光照状态下，如果设想太阳能电池是由一个理想电流源、一个理想二极管、一个并联 电阻 Rsh 与一个电阻 RS 所组成，那么太阳能电池的工作如图 2 所示
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五、 实验内容和步骤 1．在光照状态下太阳能电池的短路电流 Isc、开路电压 Uoc、最大输出功率 Pm，最佳负载 及填充因子 FF 的测量 （1）打开电机箱电源，将控制白炽灯电源的“开灯/关灯”开关置于“开灯” ，并把“亮度 调节”旋钮调到最小； （2）将太阳能电池的插头用线连接到电机箱的相同颜色插头上（注意连接插头时要连接同 一块电池板的两个插头） ，将“明暗状态开关”拨到“明状态” ，加载电压调到 0v， “负载调 节” （负载电阻）旋钮逆时针调到最小，此时电流表上有电流显示，这是外界光产生的本底 光电流； (3) 将灯源亮度调到最强，逆时针调节负载电阻旋钮到最小，测出太阳能电池的短路电流 Isc，顺时针调节负载电阻旋钮到最大，测出太阳能电池的开路电压 Uoc; (4) 将灯源亮度调到最强，调节负载电阻，由最小逐渐调到最大，可以看见光电流及负载电 压的变化，负载电压每隔 0.2V 左右测量负载的电压和电流值。 2. 太阳能电池的短路电流 Isc、开路电压 Uoc 与相对光强关系的测量 分别将“负载调节”旋钮（负载电阻）调到最小和最大，改变白炽灯光强度(旋转“亮 度调节”旋钮)，分别记录下短路电流和开路电压。白炽灯光强度刻度分有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 和Ⅴ挡，相对光强分别对应 20%、40%、60%、80%和 100%。 3. 不同角度光照下的太阳能电池板输出功率的测量 将灯源亮度调到最亮，将“负载调节”旋钮（负载电阻）固定，测量太阳能电池板在 不同俯仰角时的电流和电压值。比较不同照射角度对太阳能电池板输出的影响。 4. 太阳能电池板的串联并联特性的研究 （1）串联 将两个太阳能电池对应的红黑插座用插线串联起来 （用插线将左边的太阳能电池的黑插 座连到右边太阳能电池的红插座上，并将剩余的两个插座与机箱上对应颜色的插座连接起 来） ， 此时重复光照状态下的测试实验， 观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电 压、短路电流与串联时的区别。并思考实际开路电压与理论上的不同之处。注意串联光电池 应该是同一种类的。 （2）并联 将每个太阳能电池对应的红黑插座用插线并联起来（用插线将左边的太阳能电池的插 座连到右边太阳能电池相同颜色的插座上， 将太阳能板上的插座与机箱上对应颜色的插座连
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目前能源的重要性越来越被人们所重视， 由于煤、 石油、 天然气等主要能源的大量消耗， 能源危机已经成为世界关注的问题。为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能、水能等 清洁能源， 其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。 本实验仪器旨在提高学生对太 阳能电池基本特性的认识、学习和研究。 一、 实验目的 （1） 了解太阳能电池的工作原理及性能； （2） 学习太阳能电池性能的测量与研究方法。
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FF
Pm U OC I SC
(1)
式中 FF 是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子，填充因子一般在 0.5~0.8 之间。 黑暗状态下的太阳能电池工作如图 1 所示
此时加在它上面的正向偏压 U 与通过的电流 I 之间关系式为：
I I 0 (e U 1)
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（4）
假设 Rsh 和 Rs 0 太阳能电池可简化为图 3 所示 这里， I I ph I d I ph I 0 (e
U
1) 。
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在短路时， U 0, I ph I sc 而在开路时， I 0, I sc I 0 (e 可以得到： U OC
U oc
1) 0 ；
（5）
1

ln(
I sc 1) I0
（5）式即为在 Rsh 和 Rs 0 的情况下，太阳能电池的开路电压 Uoc 和短路电流 ISC 的关 系式。其中 Uoc 为开路电压，ISC 为短路电流。
四、 实验装置
1、本仪器采用立式结构，以防止横置光源对其他学生的影响； 2、光源采用白炽灯，光强 5 档可调，更换方便； 3、太阳能电池板 4 块： 其中单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池各 2 块(单晶硅太阳能电 池和多晶硅太阳能电池的性能基相同。 单晶硅太阳能电池的平均转换效率比多晶硅太阳能电 池的平均转换效率高)； 4、太阳能电池开路电压最大 5V, 短路电流最大 80mA，负载电阻 10K 可调，加载电压 0 ~ 5V 可调； 5、太阳能电池板俯仰可调， 可模拟阳光在不同照射角度下对太阳能电池板吸收功率的影响。
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4. 太阳能电池串并联的测量 表 4 太阳能电池串并联时电压、电流的测量 1号 多晶 开路电 压V 短路电 流 mA 2号 多晶 3号 单晶 4号 单晶 多晶 串联 多晶 并联 单晶 串联 单晶 并联
5. 太阳能电池的伏安特性曲线的测量 表 5 正向偏压时，太阳能电池电压与电流的测量 加载电压 ∣U1∣ 负载电压 ∣U2∣ 两端电压 U=∣U1- U2∣ 通过电流 I(mA) 0.00 0.00 0.00 0.00 … … … …
二、 实验仪器 LB-SC 太阳能电池实验仪、太阳能电池板、连线若干、60W 白炽灯、挡板。
三、 实验原理 太阳能电池又叫光伏电池， 它能把外界的光转为电信号或电能。 实际上这种太阳能电池 是由大面积的 PN 结形成的，即在 N 型硅片上扩散硼而形成的 P 型层，并用电极引线把 P 型和 N 型层引出，形成正负电极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面 上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。 短路电流和开路电压是太阳能电池的两个非常重要的工作状态， 它们分别对应于负载电 阻 RL 0 和 RL 的情况。在黑暗状态下太阳能电池在电路中就如同二极管。因此本实验 要测量出太阳能电池在光照状态下的短路电流 Isc 和开路电压 Uoc，最大输出功率 PM 和填充 因子 FF 以及在黑暗状态下的伏安特性。 在 U = 0 情况下， 当太阳能电池外接负载电阻 R L 时， 其输出电压和电流均随 R L 变化而变化。只有当 R L 取某一定值时输出功率才能达到最大值
图 2 中 Iph 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，Id 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：
IRS U ( I ph I d I ) Rsh 0
（3）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（4）式可得
（3）
I (1
Rs U ) I ph Id Rsh Rsh
Pm ，即所谓最佳匹配阻值 RL RLB ，而 RLB 则取决于太阳能电池的内阻 Ri
U OC 。由于 I SC
Uoc 和 I SC 均随光照强度的增强而增大， 所不同的是 Uoc 与光强的对数成正比， I SC 与光强(在 弱光下)成正比 ，所以 Ri 亦随光强度变化而变化。Uoc、 I SC 和 Ri 都是太阳能电池的重要参 数。最大输出功率 Pm 与 Uoc 和 I SC 乘积之比，可用下式表示
3. 不同角度光照下的太阳能电池板的开路电压、短路电流的测量 表3 不同俯仰角时的开路电压、短路电流的测量 电流 I（mA） 输出功率（mW） P=IV
角度 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º
负载电压 V（V）
绘制出不同角度光照下的太阳能电池与输出功率的关系曲线 ϕ～P 。
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