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1、太阳能电池基本特性研究*（*）摘要：能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战, 开发新能源和可再生清洁能源是21 世纪最具决定影响的技术领域之一.太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源, 对太阳能电池的研究与开发变得日益重要.本文从太阳能电池的结构、工作原理出发，通过伏安法系统地论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压和填充因子等参数以及外界条件对他们的影响.关键字：太阳能电池; 短路电流; 开路电压; 填充因子; 转换效率引言： 太阳能电池是利用半导体光生伏特效应做成的半导体器件, 也是一种电离辐射效应的应用.太阳能电池能以高转换效率将日光直接转换成电能, 能提供低成本而近乎永恒
2、的动力,且几乎没有污染，故而成为各国重点发展的清洁能源项目.对太阳能电池原理和基本特性的研究有助于我们了解和认识太阳能这种新兴清洁能源.原理简述:1.太阳能电池的工作原理太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压 与通U过电流 的关系式为：I(1)10nKTqUeI其中 是二极管的反向饱和电流, 是理想二极管参数,理论值为 1. 是玻尔兹曼常量,0I K为电子的电荷量, 为热力学温度（ ）.qTnKTq太阳能电池的基本技术参数除短路电流 和开路电压 外, 还有最大输出功率 和SCIOCUmaxP填充因子 .最大输出功率 也就是 的最大值。填充因子 定义为 FmaxPF
3、(2)OCSUIPmax是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。 值越大,说明太阳能电池对光的利用率越高. 由半导体理论，二极管主要是由能隙为 的半导体构成，如图 1 所示. 为半VCECE导体导电带， 为半导体价电带.当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产VE生电子和空穴对.电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流.假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源） 、一个理想二极管、一个并联电阻 与一个电阻 所组成，如图 所示.shRs2图 中， 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流， 为光照时通过太阳能电2phI dI池内部二极管的电流.由基尔霍
4、夫定律得：（3）0R)II(UIRshdphs （3）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压.由（1）式可得，（4）dshpshII)(I假定 和 ，太阳能电池可简化为图 所示电路.shR0s 3这里， 。)1e(IIUphdp在短路时， ， ；sc而在开路时， ， ；0I0)e(IocU0s（5）1IlnU0scOC（5）式即为在 和 的情况下，太阳能电池的开路电压 和短路电流ShR0S OCU的关系式.其中 为开路电压， 为短路电流，而 、 是常数.SCIOCSCI0I2. 全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时 UI 特性2.1 使用 直流可调电源，测量电路如图 4 所示，连接时应
5、注意电池的正负极V0.3性.2.2 不断调节直流可调电源的电压得到正向偏压时的 UI 关系数据，画出 UI 图线.3. 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性3.1 在不加偏压时，用光源照射，保持光源到太阳能电池距离为 20cm，测量太阳能电池的特性，测量电路如图 5 所示.3.2 测量电池在不同负载电阻下，I 对 U 变化关系，画出 U-I 曲线.3.3 求短路电流 和开路电压 .SCIOC3.4 求太阳能电池的最大输出功率及电压.3.5 计算填充因子 .CSIPFmax数据记录及处理1.全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时 UI 特性表 1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时 UI 特性数据记
6、录U1(V) 0.700 1.200 1.512 1.804 1.919 2.155 2.244 2.307U2(V) 0.0205 0.0562 0.0977 0.1624 0.1999 0.3033 0.3562 0.3994I(A) 20.5 56.2 97.7 162.4 199.9 303.3 356.2 399.4U1(V) 2.351 2.412 2.423 2.457 2.465 2.473 2.482 2.486U2(V) 0.4326 0.4829 0.4927 0.5246 0.5334 0.5414 0.5496 0.5538I(A) 432.6 482.9 492.7
7、 524.6 533.4 541.4 549.6 553.8由 ，当 较大时， ，即 . 由最小二乘法，表中最后1eIU0 1eU 0IlnIl7 点数据处理得=1.8589V-1 , =5.4525A 相关系数 r=0.9463.0I2.恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性表 2恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录)(R)V(U1)mAI)W(P(R)V(U1)mAI)W(P200 0.5575 2.75 1.5331 4400 2.971 0.67 1.9906 300 0.8300 2.74 2.2742 4600 2.971 0.64 1.9014 400 1.0970
8、 2.72 2.9838 4800 2.978 0.62 1.8464 600 1.6100 2.66 4.2826 5000 2.984 0.60 1.7904 800 1.9760 2.49 4.9202 5500 2.996 0.54 1.6178 1000 2.284 2.27 5.1847 6000 3.005 0.50 1.5025 1200 2.465 2.04 5.0286 6500 3.013 0.46 1.3860 1400 2.584 1.84 4.7546 7000 3.018 0.43 1.2977 1600 2.668 1.66 4.4289 7500 3.021
9、0.40 1.2084 1800 2.726 1.51 4.1163 8000 3.028 0.37 1.1204 2000 2.770 1.38 3.8226 8500 3.033 0.35 1.0616 2200 2.810 1.27 3.5687 9000 3.037 0.34 1.0326 2400 2.839 1.18 3.3500 10000 3.043 0.30 0.9129 2600 2.862 1.10 3.1482 20000 3.073 0.15 0.4610 2800 2.885 1.03 2.9716 30000 3.082 0.10 0.3082 3000 2.90
10、2 0.96 2.7859 40000 3.087 0.07 0.2161 3200 2.917 0.91 2.6545 50000 3.092 0.06 0.1855 3400 2.928 0.86 2.5181 60000 3.094 0.05 0.1547 3600 2.939 0.81 2.3806 70000 3.096 0.04 0.1238 3800 2.948 0.77 2.2700 80000 3.098 0.04 0.1239 4000 2.957 0.73 2.1586 90000 3.099 0.03 0.0930 4200 2.963 0.70 2.0741 通过最小
11、二乘法拟合曲线得出 U=0 时，短路电流 =2.8731mA，最大输出功率 SCI=5.1824mW,利用公式 以及第一问求得的 ， 得 =3.3912V 得)UI/(PFOCSm1Iln0scOC0IOCU出填充因子 FF=0.5318.3.误差分析：3.1 系统误差：(1).电流表与电压表内阻以及导线内阻接触电阻对实验的影响；(2).最小二乘法拟合中对 的忽略导致的误差；0I(3).因为导线的接入导致遮光罩没有完全密封；(4).万用表及变阻箱造成的误差.(5).导线的接入电阻.3.2 随机误差：(1).万用表读数不稳定；(2).导线的接入电阻；(3).温度及电源电压的频繁波动；(4).实验台面有微小振动导致光强并不恒定；(5).光源自身功率并非绝对恒定造成的误差.结语本文从太阳能电池的结构、工作原理出发, 论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率等参数.对于初步了解太阳能电池的基本特性有很大的帮助.参考文献1袁 镇, 贺立龙.太阳能电池的基本特性.现代电子技术，2007,(16):163165.2苗建勋，李水泉，石发旺，曹万民，武金楼.太阳能电池基本特性研究 .大学物理实验1996 年,(04):23-25 .3杭州精科仪器有限公司. 太阳能电池特性实验仪说明书.
