太阳能电池板室外特性的研究

图3太阳能电池的光照特性曲线。
（3）负载特性
太阳能电池板将光能转换成电能向外输出提供给负载（比如电阻、电机、灯泡等），或者将电能储存起来再提供给负载。负载的阻值发生变化，输出的电流也可能发生变化。负载特性即是将负载连接入以太阳能电池板为电源的电路中，输出电流随负载阻值的关系。
四、实验内容及主要仪器介绍
（1）开路电压Vmax
开路电压为电路在开路状态下电池板两端的电压，即太阳能电池板所能提供的最大电压Vmax，开路电压与光照强度E有关。
（2）短路电路Imax
短路电流为短路状态下外电阻为零时电路中的电流，它是太阳能电池板所能提供的最大电流Imax，短路电流一般等于太阳能电池板的光生电流，而光生电流与入射光的强度成正比，因此短路电流也与光照强度E有关。图3为太阳能电池的光照特性曲线。
附表一
θ 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
cosθ
Vθ
附表二
θ 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
cosθ
Iθ
附表三
R 20Ω 40Ω 60Ω 80Ω 100Ω 120Ω 140Ω 160Ω 180Ω 200Ω
三、实验原理
1.PN结的形成
以硅元素为例，在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼等），则硼原子与硅原子组成共价键。掺入时，整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所取代。硼是三价元素，最外层只有三个价电子，所以当它与周围硅原子组成共价键时，硅原子最外层电子就缺少一个电子而无法形成共价键，所以就从相邻的硅原子中夺取一个价电子来形成共价键，被夺走的电子留下一个空位，形成空穴。只要硼原子得到很少的能量，就可以释放出空穴形成自由空穴。这样，掺入的每一个硼原子都可提供一个空穴，从而使硅晶体中空穴的数目大大增加。这种半导体内自由电子是少数（少数载流子），空穴是多数（多数载流子），主要靠空穴导电，空穴带正电，所以叫做空穴半导体，简称P型半导体，如图1所示。
在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷、砷、锑等），使之取代晶格中硅原子的位置，这时掺入的磷原子最外层有四个价电子与周围硅原子形成共价键，多余一个电子，只要磷原子得到很少的能量，就可以释放出这个多余电子形成自由电子，这种情况下，就形成了N型半导体，如图1所示。在N型半导体中，空穴是少数载流子，自由电子是多数载流子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由掺入元素（如磷）的原子提供。掺入的元素越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。
2.测量太阳能电池板的短路电流Imax。将电池板大致对向太阳，将万用表调到电流档10A处，调整电池板左右与俯仰，使电流值最大。用量角器量出电池板面与竖直方向的角度并定义为θ＝0°。沿俯仰方向调节光照接收的角度θ，角度的变化量△θ=10°，记下相对应的电压值Iθ（见附表二），做出Iθ—cosθ的图像。并用文字说明太阳能电池板的短路电流随光强是如何变化的。
3.太阳电池板的室外特性
一般情况下，如果光使得某一器件电压、电流、电阻发生变化，这样的器件称为光电器件。光电器件具有下列四个属性：时间响应、光谱响应、光照特性、温度特性。由于本实验的内容为太阳电池板的室外特性研究，因此我们只关注它的光照特性，而其他特性则显得不那么重要了。太阳能电池板的光照特性主要有以下几方面：
利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用汇聚太阳能把水烧沸产生的蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能电池（solar cell）又称光电池或光生伏特电池，是一种根据半导体光生伏特效应（光伏效应）将光能直接转换成电能的器件，现主要有硅、硒硫化镉、砷化镓等半导体材料的太阳能电池。其中硅太阳能电池目前发展得最成熟，在应用中居于主导地位。本实验所用的太阳能电池板为硅太阳能电池，配合其他器件，探讨太阳能电池的电学和光学方面的基本特性。
图2 浓度差使载流子发生扩散运动
2. 光伏效应
当太阳光照射在PN结上时，由光照产生的电子与空穴将分别向N区和P区集结，使PN结两端形成光生电动势，这一现象称为光伏效应，又称光生伏特效应。太阳能电池就是利用光伏效应将光能转化成电能的，它本身是一个光电二极管，而光电二极管的核心部分是一个PN结。当太阳光照射到光电二极管上时，光电二极管就会把光能转化成电能，产生电流。单个的太阳能电池功率很低，满足不了生产生活需要，把多个电池串联或并联起来就可以组成输出功率较大的太阳能电池方阵，即太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
一、实验目的
1. 了解太阳能电池板工作的基本原理及应用。
2. 测量太阳能电池板的室外特性。
3. 利用太阳能电池板设计一项具体应用。
二、实验仪器及用具
3W太阳能电池板1块，元件插板1块，小直流电机1个，1W 的LED发光管1个，220W多圈可调电位器1个，数字万用表1块，量角器1个。短路连接块2个。
五、 思考题
1.若在北方冬季与夏季间日照角约有40°的变化，通过实验，你认为太阳能电池板接收光照的方向，至少多长时间调整一次（比如可使输出功率有10％的增加）？
2. 调整太阳能电池板光照接受角度，使得短路电流最大。沿横向、纵向分别遮挡约三分之一电池板的面积，观察短路电流是否变化，记录下数据，说明原因。
3.测量电池板输出电流I与负载电阻R变化的关系。由太阳能电池板作为电源供电，将多圈可调电位器、万用表接入电路中（电路图自行设计）。改变电位器的阻值，观察电流的变化。阻值的变化△R=20Ω，记录下数据(见附表三)，做出I—R的图像。
4.请你自己用实验所提供的仪器设计一个电路，用太阳能电池板带动电机正常运转，并测量一下太阳能电池板的输出功率。改变电池板面的俯仰角，观察电机转盘转速的快慢，并说明原因。（注：电路图的设计要在课前完成，上课时经过老师检查允许后才可做实验。）
设计性实验 太阳能电池板室外特性的研究
第二次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃料成为生产生活中的主要能源。然而随着社会经济的发展，这些储量有限的一次能源越来越不能满足人类的需求。而这些化石燃料对人类环境也造成了污染，生态遭到了破坏。因此，寻找和开发一种储量巨大、清洁、无污染的能源成为当前迫切解决的一个课题。太阳能就是其中的能源之一。太阳能有资源丰富、分布范围广、清洁无污染等优势。因此，研究和开发太阳能对于人类以后的生产生活具有重要的意义，成为目前发展最快的能源开发产业。
图1 N型半导体与P型半导体
当P型半导体和N型半导体“结合”在一起时，由于P型半导体空穴浓度高，自由电子的浓度低；而N型半导体的自由电子浓度高，空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子形成浓度差，在交界面附近就会产生多数载流子的扩散运动。即P区的空穴向N区扩散，同时N区的电子向P区扩散。随着扩散运动的进行，在P区和N区的交界面P区一侧出现一层带负电的粒子区；而在交界面N区一侧出现一层带正电的粒子区。这样，在交界面就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡以后，扩散不再进行，在交界面就形成一个特殊的电势差，这就是PN结，如图2所示。
本实验采用JDNL型太阳能电池板，采用多晶硅材料制成，之所以采用多晶硅为制作太阳能电池的材料是因为它成本低廉、效率高。同时，我们采用电路板连接电路，其上已经布好线路，只需把元件按要求插上即可。实验还提供一个200多欧的多圈可调电位器，电位器上的旋钮每转一圈电阻增加（减少）20Ω，转1条件下完成的，因此要记下当时室外的天气情况。实验内容如下：
I
1.测量太阳能电池板的开路电压Vmax。将电池板大致对向太阳，将万用表调到伏特档20V处，调整电池板左右与俯仰，使电压值最大。用量角器量出电池板面与竖直方向的角度并定义为θ＝0°。沿俯仰方向调节光照接收的角度θ，角度的变化△θ=10°，记下相对应的电压值Vθ（见附表一），做出Vθ—cosθ的图像。并用文字说明太阳能电池板的开路电压随光强是如何变化的。