实验报告太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线 【实验原理】1. 太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示.晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行 工作.一般采用n+/p同质结的结构，即在约10 cmX10 cm面积的p型硅片（厚度约500 um）上用扩散法 制作出一层很薄（厚度~0.3 um）的经过重掺杂的n型层.然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接 触电极.在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极.这样就形成了晶体硅太阳电池.为了减少光 的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜.P£Ef图一太阳电池结构示意图2. 光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在？ 区、n区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对.那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度 而要扩散.只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处.在p区与n区 交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区.在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方 向由n区指向p区，这个电场称为内建电场.这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用 下被拉向p区.同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场 迅速被拉向n区.结区内产生的电子-空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区.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?口结附近，使!3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.这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect,缩写为PV）.3. 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/ph.同 时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流/D，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反.因此， 实际获得的电流/为(1)式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数 是由太阳电池的结构和材料的特性决定的.n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1〜2 之间.q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度.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，则（1）式可写为(2)当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD R 0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比.当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（2） 和（3）式可得到开路电压(3)当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏-安特性曲线如图2所示.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(4)式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填 充因子FF，则(5)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n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J；= -2-X100%(6)图三太阳电池的伏-安特性曲线4. 太阳电池的等效电路图四 太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电 流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路.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.【实验数据记录、实验结果计算】♦实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下:60cm80cm80cm串联80cm并联电流电压功率电流电压功率电流电压功率电流电压功率10.53112.159.4109000.3062.718.810.70140.898.5621.49102.9153.30.4386.137.021.8760.7113.51.70132.5225.232.3996.2229.91.4777.2113.43.3159.3196.32.67122.9328.143.2888.4289.92.4768.8169.94.7757.4273.83.76112.4422.654.2482.5349.82.9465.5192.66.3055.4349.04.73102.1482.964.7677.4368.43.5761.3218.87.7853.0412.35.4993.6513.975.3072.9386.44.1257.8238.19.3650.3470.85.9788.8530.185.5970.6394.74.7753.2253.810.846.2499.06.2285.0528.795.8567.5394.95.2450.026211.9543.7522.26.5181.8532.5106.2763.9400.75.5148.2265.612.5742.1529.26.8779.1543.4116.5961.5405.35.6946.7265.713.1641.1540.97.1876.9552.1126.7860.2408.25.9045.2266.713.7040.0548.07.3574.9550.5136.9658.9410.06.0643.7264.814.2038.9552.47.4473.6547.6147.1157.7410.26.4941.1266.715.0037.1556.57.5072.3542.2157.2656.5410.26.9038.0262.215.4335.9553.97.5970.7536.6167.3755.3407.67.5532.8248.215.8334.3543.07.9265.3517.2177.7652.3405.87.9128.8227.816.0433.4535.78.1160.6491.5188.1250.1406.88.1723.7193.616.4331.3514.38.3154.4452.1198.4844.6378.28.3818.0150.816.729.1486.08.4350.0421.5208.6839.5342.98.5612.8109.616.8527.0455.08.5645.2386.9218.8334.8307.38.737.9068.9717.0125.2428.78.7039.9347.1229.0625.5231.08.990017.3222.7393.28.7934.9306.8239.2715.4142.817.5220.1352.28.8930.3269.4249.408.579.917.6817.3305.99.0222.3201.1259.680017.7616.1285.99.1514.7134.52618.69009.228.376.53279.3600282930表11. 根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线各条件下电池的伏安特性曲线■ 光照间距BOcm•y-光照间距80cm—光照间距80cm「电池甲联♦光照间距80cm,电池并联
在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍增，而并 联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界）， 光照强度越大，电池的电阻越大4. 研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流），电池 的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联 的原因）；光照强度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越小（从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从而决定 了短路电流和电动势的大小）♦各个条件下输出功率P随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论1. 虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成功的， 因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率 的估计的准确度有很好的帮助2. 研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串。