太阳能电池的光照特性及实验估测

太阳能电池的光照特性及实验估测

人教版高中物理第二册必修和选修课本都在“闭合电路欧姆定律”一节选用了有关太阳能电池的习 题。许多学生套用干电池电动势和内电阻可视为定值的“约定”，误以为太阳能电池也该如此。究竟太阳 能电池有怎样的特征？笔者探讨如下，仅供参考。

一、太阳能电池简介

太阳能电池是光电池的一种，它是直接利用光能产生电能的器件。太阳能电池通常用硒、砷化镓、硅 等多种材料制成，耳前用得最广的是硅材料制成的硅光电池 （目前各种资料给出的多为此种电池的参数

）。

实质上，硅光电池就是一个大面积的

P-N 结，其原理、光谱响应特性与光电二极管相同。早期的硅光

电池原材料为单晶硅，大多是用坩锅法拉制出来的，成品率不很高，又要经过掐头去尾、切片、研磨等加 工工序，材料损失很大，故造价较高。这种单晶硅太阳能电池的结构如图

1所示，是在N 型硅片上扩散硼

而形成P 型层（或在P 型硅单晶片上扩散 N 型杂质制成）。为减少表面对光的反射， 在其表面形成了由 SiQ 2

由于硅太阳能电池对所用的硅材料的要求不象晶体管、可控硅器件、集成电路那样严格

及位错少），所以近几年已经采用多晶硅直接制造太阳能电池 （多晶硅又名非晶硅）。图2为采用氢化非晶 硅为基底材料的非晶硅太阳能电池的结构图，它以玻璃材料

（及多种廉价材料）作衬底，所以可根据用途切

割成不同的大小形状，使用起来非常方便。这种非晶硅太阳能电池不仅工艺成本低，而且光吸收系数比单 晶硅太阳能电池大一个数量级，因此只需要

1呵厚的薄层就能有效地吸收阳光

（单晶硅太阳能电池则需要

25 ^m 以上厚度）。因此，其造价约为单晶硅太阳能电池的

50%这样类型的太阳能电池在各方面得到更广

泛的应用。

太阳能电池主要用作电源。它特别适用于人造卫星、宇宙飞船

（从某种意义上说，太阳能电池的寿命

决定了它们的工作寿命）；另外，也适用于无人值守的灯塔、航标灯、山顶电视中继站、气象观测站等用 途，也适用于边远农村、牧区、哨卡等野外工作照明用电及生活用电、沙漠地区灌溉用电等。在日常生活 中，小型太阳能电池可供计算器、电子表及小型收音机供电等。随着造价的降低，太阳能电池很快向民用 普及，一个平均每天用电为 8度（KW •h ）的家庭，只要在房顶放置约 5m 2

的太阳能电池板就可满足供应 （日 本已进入实用阶段）。太阳能电池作为电源优点有：简便、无运转部件、无气体污染及噪声等，完全迎合 当今绿色环保的潮流，况且太阳能的巨大存量及硅在地壳中的丰富含量，也决定了太阳能电池符合了可持 续发展的主题。

二、太阳能电池的基本特性

几乎所有的硅太阳能电池的资料都是在

30°C 下入射

光强度为100mWT cm2的特定条件下测得的，不管是

2CR

型还是2DR 型，其开路电压均在 450—600mv 范围内，短 路电流均在

1.8 mA 以上。我们把开路电压和短路电流与 光照度的关系称为硅光电

池的光照特性。

由图3可以看出，开路电压U oc 与照度E 在2000Lx （勒 克斯）以下呈线性关系，在2000Lx 以上开始呈非线性关系。

（即要求杂质

制成的保护膜，并引出正、负电极，形成光电池。

L 璇璃2透耶#电层3』-SiH 层 4出區5处聚树脂涂层6保护出

短路电流I sc与照度E呈线性关系，受光照的结面积越大。短路电流也越大，一般在1000LX照度下，短路

电流在2—3mA/cm 2范围内。

当光电池负载电阻R L不为零时，其线性范围与负载电阻大小有关。所以，当光电池被利用其光电变换原理制成各种光电测量仪器（如照度计、照相机曝光表等）以及路灯、航标自动控制等装置时，为保证测量的线性关系，应采用较小的负载电阻。

除光照特性外，光电池的参数也会随温度改变而发生变化，但基本上成线性关系。如开路电压的温度系数为（-0.3〜-0.5）%/ °C ;短路电流的温度系数为0.18%/°C。一般允许使用温度范围不大于100°C。另外，技术上还用响应时间来表征光电池对突变光照的反应速度。由于光电池的P-N结面积大，其结电容也

大，故其响应时间要比光电二极管慢得多，一般为10-6〜1O-10S。这是应用于自动控制系统时必须考虑的因

素之一。

光电池最大的输出电功率与入射光功率的比值，称为光电池的转换效率。过去认为在理论上，转换效率可达24%A上，但目前实际上已能达到30%上下。今后，随着新型材料的出现，光电池的转换效率有望

进一步提高，届时，其应用范围将更为广阔。

三、太阳能电池光照特性的实验估测

实验器材：

J2520型太阳能演示器太阳能电池板，它由6片10X 90 mm玻璃衬底多晶硅电池板串联而成。标称最

大开路电压为3.5 V，最大短路电流为50mA。

MF30型万用电表，用直流5V档，内阻约80KI）。MF47型万用电表，直流O.5mA档，内阻约600 Q; 5mA档，内阻约65Q; 50mA档，内阻约10Q。

ZDS-10型自动换档数字式照度计（上海市嘉定学联仪表厂产）。

测试方法：

室内漫反射光可利用纱门开闭程度或塑料百叶窗的叶片开闭角度来调节光照度。室外可利用由阳台（或走廊）等阳光不直射处向阳光处过渡来调节光照度。

开路电压用万用表5伏档测量，虽然并非真正开路，但80K Q的内阻使我们可粗略认为是测量开路电

压。为读数方便，开路电压自0.1伏起按0.1伏增幅递增至所能达到的最大值。全过程不换档。

短路电流用万用表上述几种档位测量，由于表内阻并非很小，且多次换档，直接跨接在待测太阳能电池板两极上的测量值并非真正的短路电流，只能粗略反映一些情况。

数字式照度计对光照度的反应极为灵敏，读数变化太快，很难待其稳定下来读数，只能抓住其上下波动时估读（如有指针式照度计反倒方便些）。

另外，实验操作者不宜穿着浅色服装，以免在移动中干扰照度计的读数。

笔者于2002年4月18日中午（晴、气温210C测得下列数据（见附表）。虽然不像理论值那样标准，但也至少反映了开路电压和“短路电流”是随光照度增强而增大的数量关系。

四、建议

教师可采用可控硅调光台灯连续改变照度，配合J2520型电池板及示教电表为学生做演示。虽然光照

度无测量数据，但学生能直观其强弱变化与电池板开路电压读数变化的简单规律，头脑中对硅太阳能电池认识就较为明确了，印象也较为深刻了。

附表