太陽能電池

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1、太陽能電池特性的測量 能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經成為人類面臨的最大問題，新能源利用迫在眉睫。太陽能是一 種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽電池可以將太陽能轉換為電能，隨著研究工作的深入與生產規(guī) 模的擴大，太陽能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護導致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽能發(fā)電 有望在不久的將來在價格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應用具有光明的前景。 根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽 能電池，有機太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。 本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3 種太陽能電池的特性。 實驗目的

2、 1．學習太陽能電池的發(fā)電的原理 2．了解太陽電池測量原理 3．對太陽電池特性進行測量 實驗原理 太陽能電池利用半導體 P-N 結受光照射 光伏效應發(fā)電，太陽能電池的基本結構就是一 面積平面P-N結，圖1為P-N結示意圖。 P 型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒 由電子。 N 型半導體中有相當數(shù)量的自由電 幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成 結時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散，P 空間電荷區(qū) 圖 1 半導體 P-N 結示意圖 時的 個大 有自 子， P-N 區(qū)的 輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出 空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結附近形

3、成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴 散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內， P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內幾乎沒有能導電 的載流子，又稱為結區(qū)或耗盡區(qū)。 當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產生電子－空穴對，在結區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢 壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結兩端形 成電壓，這就是光伏效應，若將P-N結兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。 在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸

4、出 伏安特性，如圖 2 實線所示。 負載電阻為零時測得的最大電流 ISC 稱為短路電 流。 負載斷開時測得的最大電壓VOc稱為開路電壓。 太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的 乘積。同樣的電池及光照條件，負載電阻大小不一樣 時，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標， 輸出功率為縱坐標，繪出的P-V曲線如圖2點劃線所 示。 功率Pmax。 I 填充因子F.F定義為: (1) P F ■ F = max V XI oc sc 填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其 值越大，電池的光電轉換效率越高，一般的硅光電池FF 值在0.75?0.8之間。 轉換效

5、率n s定義為： P (2) (%) = max X 100% s P in Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。 理論分析及實驗表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入 射光功率增加時只略微增加，如圖3所示。 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三 種。 單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%， 規(guī)模生產時的效率可達到15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據(jù)主導地位。但由于單晶硅價 格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單

6、晶 硅太陽能電池的替代產品。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室 最高轉換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產的轉換效率可達到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來 的太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產，有極大的潛力。如果能進一步 解決穩(wěn)定性及提高轉換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。 實驗儀器 太陽能電池實驗裝置如圖4所示。 圖4太陽能電池實驗裝置 光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射 到太陽能電池上的光強，具體數(shù)值由光強探頭測量。測試儀為實

7、驗提供電源，同時可以測量并顯示電 流、電壓、以及光強的數(shù)值。 電壓源：可以輸出0?8V連續(xù)可調的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。 電壓/光強表：通過“測量轉換”按鍵，可以測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強 輸入”接口的光強探頭測量到的光強數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程” 或“光強量程”，可以選擇適當?shù)娘@示范圍。 電流表：可以測量并顯示0?200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當?shù)娘@示范圍。 實驗內容與步驟 1.硅太陽能電池的暗伏安特性測量 暗伏安特性是指無光照射時，流經太陽能電池的電流與外加電壓之間的關系。 太陽能電池的基本結構

8、是一個大面積平面P-N結，單個太陽能電池單元的P-N結面積已遠大于 普通的二極管。在實際應用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。 為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極 管，但取決于太陽能電池的材料，結構及組成組件時的串并連關系。 本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅，多晶硅，非晶硅太陽能電池組件 在無光照時的暗伏安特性曲線。 用遮光罩罩住太陽能電池。 測試原理圖如圖5所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調至 50Q后串連進電路起保護作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回

9、路中的電流。 圖5伏安特性測量接線原理圖 將電壓源調到0V,然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.3V記一次電流值。記錄到表1中。 將電壓輸入調到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電 壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。 表1 3種太陽能電池的暗伏安特性測量 電壓(V) 電流(mA) 單晶硅 多晶硅 非晶硅 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.3 0.6 0.9

10、 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 以電壓作橫坐標，電流作縱坐標，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。 討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同。 2.開路電壓，短路電流與光強關系測量 打開光源開關，預熱5分鐘。 打開遮光罩。將光強探頭裝在太陽能電池板位置,探頭輸出線連接到太陽能電池特性測試儀的“光 強輸入”接口上。測試儀設置為“光強測量”由近及遠移動滑動支架，測量距光源一

11、定距離的光強 I,將測量到的光強記入表2。 圖6開路電壓、短路電流與光強關系測量示意圖 將光強探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設置為“電壓表”狀態(tài)。按圖6A接線，按測量光強 時的距離值(光強已知)，記錄開路電壓值于表2中。 按圖6B接線，記錄短路電流值于表2中。 將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。 將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。 表2 3種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關系 距離(cm) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 光強I (W/m2

12、 單晶硅 開路電壓vOC (V) 短路電流Isc (mA) 多晶硅 開路電壓VOC(V) 短路電流ISC (mA) 非晶硅 開路電壓VOC (V) 短路電流ISC (mA) 根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強變化的關系曲線。 根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強變化的關系曲線。 3.太陽能電池輸出特性實驗

13、 光 衣陽能電盤 電阻箱 圖7測量太陽能電池輸出特性 按圖7接線，以電阻箱作為太陽能電池負載。在一定光照強度下(將滑動支架固定在導軌上某一 個位置)，分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸 出電壓V和電流I,并計算輸出功率Po=VxI，填于表3中。 表3 3種太陽能電池輸出特性實驗 光強I= W/m2 單晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流1(A) 輸出功率P (W) O

14、 多晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流I(A) 輸出功率P (W) 0 非晶硅 輸出電壓V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 輸出電流I(A) 輸出功率P (W) 0 根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。 找出最大功率點，對應的電阻值即為最佳匹配負載。 由(1)式計算填充因子。 由(2)式計算轉換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=IxS], I為入射到太陽能電池板表 面的光強，S]為太陽能電池板面積(約為50mmX50mm)o 若時間允許，可改變光照強度(改變滑動支架的位置)，重復前面的實驗。 【注意事項】 1． 在預熱光源的時候，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實驗誤 差； 2． 光源工作及關閉后的約1 小時期間，燈罩表面的溫度都很高，請不要觸摸； 3． 可變負載只能適用于本實驗，否則可能燒壞可變負載； 4． 220V 電源需可靠接地。