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1、14.13 太阳能电池特性测量太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是 21 世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能路灯、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、 “绿色 ”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性和光电转换效率。实验目的1在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，测量短路电流、开路电压、最大输出功
2、率及填充因子。3测量太阳能电池的光照特性：短路电流、开路电压与相对光强度之间的关系仪器用具THQTN-1 型太阳能电池特性测试仪（太阳能电池板、光功率计探头、直流电压表、直流电流表、直流稳压电源、负载电阻、入射光强指示、白炽灯、导轨等）实验原理一太阳能电池板结构以硅太阳能电池为例，结构示意如图（4.13-1） 。硅太阳能电池是以硅半导体材料制成的大面积 PN 结经串联、并联构成。在 N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减少光电池表面的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 二太阳能电池的基本特性用光照射到半导体 PN 结上时，半导体 PN 结吸收光能后，两端
3、产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于 P-N 结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开耗尽区，结果使 P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就是 P-N 结的光生伏特效应。1无光照时，太阳能电池正向 特性UI太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸PN NP 图 4.13-1 太阳能电池板结构示意图2收光的能量。并将所吸收的光子的能量转换为电能。在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向电压与通过的电流 的关系为I(4.13-1)0(1)Ue式中， 和
4、 是常数。oI2太阳能电池的光照特性由半导体理论，二极管主要是由能隙为 ECEV 的半导体构成，如图 4.13-2 所示。EC 为半导体导电带，EV 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个理想电流源（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 4.13-3 所示。shRsRECEV价价价价价价价价价价 价价价价图 4.13-2 图 4.13-3图 4.13-2 中， 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流， 为光照时通过太ph
5、I dI阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： ()0sphdshIRUIIR式中， 为太阳能电池的输出电流， 为输出电压。由此式可得，I(1)sphdsIII假定 , ，太阳能电池可简化为图 4.13-4 所示电shR0s路。这里， 。在短路时，)1(0UphdpheIII， ；而在开路时， , ，0Uphsc 0()ocscI因此有（4.13-2）01lnscOCIU此式即为在 和 的情况下，太阳能电池的开路电压 和短路电流 的关shR0s OCUSCIIphIdIph-IdRsRshI RL+-UIphIdIU图 4.13-43系式。其中 为开路电压， 为短路电流，而 、 是常数。
6、OCUSCI0I（1）太阳能电池负载 特性曲线当太阳能电池接上负载 时，所得到的负载 特性曲线如图（4.13-5）所示，负RUI载 可从零变化到无穷大。RVI PmImVm图 4.13-5 太阳能电池的 特性曲线I（2）太阳能电池的填充因子 F当负载为 时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为 ：mR mP（4.13-3 ）mPIU式中 和 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将开路电压 与短路电流 的乘mIU ocUocI积与最大输出功率 之比定义为填充因子 ：mPF（4.13-4 ）mocsocsPIU填充因子 为太阳能电池的重要特性参数， 越大则输出功率越高。 取决于入射F F光强
7、、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。（3）太阳能电池的转换效率 太阳能电池转换效率 定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能 之比，即inP（4.13-5 ）10%minP仪器介绍：4太阳能电池特性测试实验仪主要由两部分组成：1太阳能电池实验仪部分有：太阳能电池板及锁紧螺钉，光功率计探头，白炽灯，导轨，底座，实验装置如图 4.13-6 所示。 图 4.13-62太阳能电池测试仪部分有：直流电压表，直流电流表，入射光强指示，直流稳压电源，负载电阻。测试仪面板如图 4.13-7 所示。THQTN-1 (V) mAmW/cm2 +图 4.13-7实验内容：一测量太阳能
8、电池无光照时的伏安特性实验条件：用遮光罩挡光，使太阳能电池无光照。太阳能电池正向电压测量范围：03.00V ，测量 10 个点，变化明显处测量间隔要小。测量电路如图 4.13-8 所示。由（4.13-1）式得 ，当 较大时， ，即 ，对01UIe1Ue0lnlIUI的数据用最小二乘法处理，计算 、 及相关系数 ，说明太阳能电池无光照1Ue 0I时的伏安特性。5二不加偏压，用白炽灯照射时，测量太阳能电池特性测量要求：4 片太阳能电池串联，光源到太阳能电池距离 35。测量电路如图 4.13-9 所示。- AV -AVR图 4.13-8 图 4.13-91改变负载电阻 ，测量在不同负载电阻下太阳能电
9、池的输出电压 与电流 之间R UI的关系，画出 曲线。UI测量要求：负载电阻 的变化范围：20090000 ，测量 40 组，变化明显处测量间隔要小。2根据 曲线，用外推法求短路电流 和开路电压 。ISCIOCU3计算负载电阻 不同时的输出功率 ，画出输出功率与负载电阻关系曲线，RP求出最佳工作电流 和最佳工作电压 ，并计算最大输出功率 。mImUmP4计算填充因子 。F5计算转换效率 。照射到太阳能电池的总辐射能 =单位面积的入射光强 太阳能电池有效面积。inPJ本实验所用太阳能电池单片有效面积为 2060 2三测量太阳能电池 和 与相对光强 的关系（选做内容） 。SCIOU0/J注意事项1实验时，避免太阳光照射太阳能电池。2太阳能电池板接线时，应用手扶住太阳能电池盒，以免跌落。3连接电路时，保持电源开关断开。思考题1填充因子可以描述太阳能电池哪方面的特性？62转换效率可以描述太阳能电池哪方面的特性？
