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1、第 1 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006实验 62 太阳能电池特性研究根 据 所 用 材 料 的 不 同 ， 太 阳 能 电 池 可 分 为 硅 太 阳 能 电 池 ， 化 合 物 太 阳 能 电 池 ， 聚合 物 太 阳 能 电 池 ， 有 机 太 阳 能 电 池 等 。 其 中 硅 太 阳 能 电 池 是 目 前 发 展 最 成 熟 的 ， 在 应 用中 居 主 导 地 位 。 本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅 3 种太阳能电池的特性。【实验目
2、的】1 太阳能电池的暗伏安特性测量2 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系3 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系4 太阳能电池的输出特性测量【实验原理】太阳能电池利用半导体 P-N 结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面 P-N 结，图 1 为 P-N 结示意图。P 型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N 型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成 P-N 结时，N区的电子（带负电）向 P 区扩散， P 区的空穴（带正电）向 N 区扩散，在 P-N 结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂
3、移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过 P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自 N 区的电子复合，N 区的电子被来自 P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向 N 区和 P 区，使 N 区有过量的电子而带负电， P 区有过量的空穴而带正电，P-N 结两端形成电压，这就是光伏效应，若将 P-N 结两端接入外电路，就可向负载输出电能。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图 2 实线所示。负载电阻为零
4、时测得的最大电流 ISC 称为短路电流。负载断开时测得的最大电压 VOC 称为开路电压。太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V 曲线如图 2 点划线所示。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率 Pmax。填充因子 F.F 定义为：（1）scoIVFmaxN 势 垒 电 场 方 向 空 间 电 荷 区 P 图 1 半 导 体 P-N结 示 意 图 输 出 电 流 I Pmax （ 输 出 功 率 ） ISC VOC 输 出 电 压 V 图 2 太 阳 能 电 池
5、 的 输 出 特 性 第 2 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池 FF 值在 0.750.8 之间。转换效率 s定义为：（2）%10()maxinsPPin 为入射到太阳能电池表面的光功率。理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图 3 所示。硅 太 阳 能 电 池 分 为 单 晶 硅 太
6、阳 能 电 池 、 多 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 和 非 晶 硅 薄 膜 太 阳 能电 池 三 种 。单 晶 硅 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 最 高 ， 技 术 也 最 为 成 熟 。 在 实 验 室 里 最 高 的 转 换 效 率 为 24.7%， 规 模 生 产 时 的 效 率 可 达 到 15%。 在 大 规 模 应 用 和 工 业 生 产 中 仍 占 据 主 导 地 位 。但 由 于 单 晶 硅 价 格 高 ， 大 幅 度 降 低 其 成 本 很 困 难 ， 为 了 节 省 硅 材 料 ， 发 展 了 多 晶 硅 薄膜 和 非 晶 硅 薄 膜 做 为 单 晶 硅 太
7、阳 能 电 池 的 替 代 产 品 。多 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 与 单 晶 硅 比 较 ， 成 本 低 廉 ， 而 效 率 高 于 非 晶 硅 薄 膜 电 池 ， 其实 验 室 最 高 转 换 效 率 为 18%,工 业 规 模 生 产 的 转 换 效 率 可 达 到 10%。 因 此 ， 多 晶 硅 薄 膜电 池 可 能 在 未 来 的 太 阳 能 电 池 市 场 上 占 据 主 导 地 位 。非 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 成 本 低 ， 重 量 轻 ， 便 于 大 规 模 生 产 ， 有 极 大 的 潜 力 。 如 果 能进 一 步 解 决 稳 定 性 及 提 高
8、转 换 率 ， 无 疑 是 太 阳 能 电 池 的 主 要 发 展 方 向 之 一 。 【实验仪器】太阳能电池实验装置如图 4 所示，电源面板如图 5 所示。I 1000W/m2 800W/m2 600W/m2 400W/m2 200W/m2 V 图 3 不 同 光 照 条 件 下 的 I-V曲 线 第 3 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006图 4 太阳能电池实验装置光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射
9、到太阳能电池上的光功率，具体数值由光功率计测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。电压源：可以输出 08V 连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。电压/光功率表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光功率输入”接口的光功率计探头测量到的光功率数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光功率量程” ，可以选择适当的显示范围。电流表：可以测量并显示 0200mA 的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。第 4 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：6
10、10041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006图 5 太阳能电池特性实验仪【实验内容与步骤】1硅太阳能电池的暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。太阳能电池的基本结构是一个大面积平面 P-N 结，单个太阳能电池单元的 P-N 结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。本实验提供的组件是将若干单元并联。要求测试并画出
11、单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图 6 所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至 50 后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。第 5 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006图 6 伏安特性测量接线原理图将电压源调到 0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔 0.1V 记一次电流值。记录到表 1 中。将电压输入调到 0V。然后
12、将 “电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表 1 中。表 1 3 种太阳能电池的暗伏安特性测量电流(mA)电压（V）单晶硅 多晶硅 非晶硅-8-7-6-5-4-3-2-100.30.60.91.21.51.82.12.42.733.33.63.9第 6 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表 1 画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。讨论太阳能电池的暗伏安
13、特性与一般二级管的伏安特性有何异同。2开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热 5 分钟。打开遮光罩。将光功率探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光功率输入”接口上。测试仪设置为“光功率测量” 。 由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强 I=P/S,P 为测量到的光功率，S=0.2cm 2为探头采光面积。将测量到的光强记入表 2。将光功率探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图 7A 接线，按测量光强时的距离值（光强已知） ，记录开路电压值于表 2 中。按图 7B 接线，记录短路电流值于表 2 中。将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅
14、太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。表 2 3 种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系距 离（） 10 15 20 25 30 35 40 45 50光功率（W）光强 I=P/S（W/m 2）开路电压VOC（V）单晶硅短路电流ISC（mA）开路电压VOC（V）多晶硅短路电流ISC（mA）非晶硅开路电压VOC（V）第 7 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006短路电流ISC（mA）
15、根据表 2 数据，画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线。根据表 2 数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。3太阳能电池输出特性实验按图 8 接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置） ，分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压 V 和电流 I,并计算输出功率 PO=VI，填于表 3 中。表 3 3 种太阳能电池输出特性实验 光强 I= W/m2输出电压 V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 输出电流 I(A)单晶硅输出功率 PO(W)输出电压 V(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 输出电流 I(A)多晶硅输出功率 PO(W)输出电
