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1、实验实验6 2 6 2 太阳电池伏安特性的测量太阳电池伏安特性的测量 1 研究背景 太阳电池 Solar Cells 也称为光伏电池 是将太阳光 辐射能直接转换为电能的器件 太阳能是一种新能源 对 太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题 世界上第一块实用型半导体是美国贝尔实验室于1954年 研制的 目前 太阳能的利用主要集中在热能和发电两方 面 利用太阳能发电目前有两种方法 一是利用热能产生 蒸气驱动发电机发电 二是太阳能电池 太阳能的利用和 太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题 许多发达 国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究 为此 我们通过对太阳能电池的电学性质进行
2、测量增进我们对 太阳能电池的了解 具有非常重要 2 实验目的实验目的 1 了解太阳能电池的工作原理 2 无光照时 测量太阳能电池的伏安特性曲 线 3 测量太阳能电池的I 对U 的变化关系 短路 电流 开路电压 最大输出功率及填充因 子 4 测量太阳能电池的短路电流 开路电压与相 对光强的关系 求出它们的近似函数关系 3 一一 晶体硅太阳电池结构晶体硅太阳电池结构 实验原理 4 二 光伏效应二 光伏效应 太阳电池发电原理示意图 5 光伏效应光伏效应 N型半导体和P型半导体接触形成PN结 PN结 内存在从N区指向区的内建电场 PN结受光照后 半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子 空 穴和电子 在内
3、建电场作用下 电子 朝 N型半导体汇集 而空穴 则朝P型半导体汇 集 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 6 三 太阳电池的等效电路三 太阳电池的等效电路 太阳电池可用恒流源Iph pn结二极管D 相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh和太阳电池 的电极等引起的串联电阻Rs组成的电路来表示 如下图所示 该电路为太阳电池的等效电路 7 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 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 8 四 太阳电池的表征
4、参数四 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 理想状态下 pn结泄露电流不存在 即Rsh不存在因此 实际获得的电 流I为 式中VD 为结电压 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 即 9 当太阳电池的输出端短路时 V 0 VD 0 由公式 得短路电流 当太阳电池的输出端开路时 I 0 得开路电压 10 太阳电池的伏安特性曲线太阳电池的伏安特性曲线 当太阳电池接上负载R 时 所得的负载伏 安特性 曲线如图
5、所示 太阳电池的伏 安特性曲线 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 式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳 工作电压 11 太阳电池的表征参数太阳电池的表征参数 填充因子FF 将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF 则 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 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 12 实验用仪器及材料实验用仪器及材料 光具座 滑块 白炽灯 太阳能 电池 光
6、功率计 遮光罩 电压表 电流表 电阻箱 13 实验方法实验方法 利用控制变量法做实验 用最小二乘法来对实 验数据进行处理 14 实验内容实验内容 1 在没有光源 全黑 的条件下 测量太阳能电池正向偏压时的I U 特性 直流偏压从0 3 0V a 画出测量线路图 b 利用测得的正向偏压时I U 关系数据 画出I U 曲线并求得常数 和I0 的值 2 在不加偏压时 用白色光源照射 测量太阳能电池一些特性 注意此时 光源到太阳能电池距离保持为20cm a 画出测量线路图 b 测量电池在不同负载电阻下 I 对U 变化关系 画出I U 曲线图 c 求短路电流 和开路电压 d 求太阳能电池的最大输出功率及
7、最大输出功率时负载电阻 e 计算填充因子 15 3 测量太阳能电池的光照效应与光电性质 在暗箱中 用遮光罩挡光 取离白光源20cm水平距离光强作为标准光 照强度 用光功率计测量该处的光照强度J0 改变太阳能电池到光源的 距离x 用光功率计测量x处的光照强度J 求光强J与位置X关系 测量 太阳能电池接收到相对光强度J J0不同值时 相应的ISC 和U0C 的值 a 描绘ISC 和相对光强度 J J0 之间的关系曲线 求ISC 和与相对光强J J0 之间近似关系函数 b 描绘出U0C和相对光强度J J0之间的关系曲线 求U0C 与相对光强度J J0 之间近似函数关系 16 实验结果实验结果 1 全
8、暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性 U V I UA 0 5310 0 8680 2 1 7012 1 2 1675 1 2 4378 2 712 9 2 80816 4 2 84718 2 2 88920 6 2 91922 6 2 95625 2 2 98127 1 328 8 17 2 在不加偏压时 在使用遮光罩条件下 保持白光源到太阳能电池距离 20CM 测量太阳能电池的输出电流对太阳能电池的输出电压的关系 太 阳能电池在光照时 测量输出功率与负载电阻的关系 X 20cm J 0 624mW U VI aP Mw 0 3536210 219 0 7436150 457 1 3476
9、140 827 2 1386121 308 2 8775931 706 3 3335041 69 3 4514331 494 3 55348 41 237 3 622700 977 18 3 测量太阳能电池ISC 和U0C 与相对光强J J0的关系 J J0Isc Ua Uoc V 16193 81 0 877435 23 75 0 701322 53 68 0 589249 23 64 0 4652003 58 0 3961763 54 0 356156 53 52 0 292141 23 45 19 实验分析和讨论实验分析和讨论 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
10、线可以明显看出 1 在全黑条件下 刚开始电压小于0 6 0 7v时 没有电流 因为此时二极管相当于一 个恒定电阻 没有被击穿 当电压大于0 6 0 7v时 太阳能电池的电流随着电压 的增大而增大 因为此时二极管已被击穿 2 有光照时 当光照强度不变时 电流和电压的变化规律大致符合公式 3 输出功率P先是随着负载电压V的增大而增大 达到最大后 随着电压的减小而减 小 4 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 5 开路电压和短路电流随着光照距离的增大而增大 20 总结与展望总结与展望 这次试验汇报从太阳能电池的结构 工作 原理出发 介绍了太阳能电池的的等效电路图 介绍了表征太阳能电池特性的短路电流 开路电压 填充因子等参数 对于了解太阳 能电池的基本特性有很大的帮助 同时 对太 阳能电池的相关基本参数的测量也有一定的 了解 希望今后能更多的接触相关内容 并 学会在生活中应用物理 让太阳能电池的相 关知识更好的服务于生活 21 22
