太阳能电池伏安特性的测量

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1、内电场图2载流子扩散形成内电场P : N实验17太阳能电池伏安特性的测量太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的半导体器件。它是太阳能发 电系统的心脏。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无噪音、无污染 等优点。太阳能电池已作为空间探索的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通 信设备，气象台站，航标灯的重要电源。目前，太阳电池已广泛用于收音机、计算机、交 通信号等方面。在发达国家太阳能光伏发电已进入城市电网。太阳能光伏发电有望成为21 世纪的重要能源，在世界能源构成中占有一定的地位。实验目的1了解太阳能电池的工作原理及基本结构。2测量太阳能电池的伏安特性曲线

2、。实验原理1太阳能电池的结构硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR和2CR型。图1为2DR型结构示意图。它是 以P型硅为衬底（厚约500p m）,在其上 面用扩散法制作一层厚约03p m的N型 层，并将它作为受光面。在N型层上制作 金属栅线，作为输出电极，目的是减小光 电池的内阻。在整个背面制作金属膜背电 极。在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透 明膜，它既可以起到防潮，防尘等保护作 用，又可以减小硅光电池表面对入射光的 反射，增强对入射光的吸收。2CR型电池 则是以N型硅为衬底制作的。2.PN结的内建电场在P型（或N型）半导体衬底上，用 扩散方法形成一层N型（或P型）层。在P 区（空穴导电）和N区

3、（电子导电）交界 处，由于两边电子和空穴浓度不同，P区 的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩 散。于是，在P区形成负电层，N区形成 正电层，如图2所示。这两个带电层形成 一个内电场，它反过来又阻挡上述扩散， 直到扩散作用与阻挡作用达到一种动态平衡。一般所说PN结就是指这层阻挡层。如果在PN结两端外加正向电压（P区接正，N区接负），如图3 （a）所示。则外加电外电场 *Y内电场扩散电滾(a)图3正向偏置电压场与PN结内建电场方向相反，它将削弱内电场对载流子扩散运动的阻挡，使扩散继续 进行。而且由电源补充扩散电荷，使二极管导通，形成稳定的电流。其电路符号如图3（b）。3.PN结的光电转换过程光照射

4、在PN结上时，存在下列几种情况：1）光被半导体表面反射而不能进入材料内部。例如洁净硅表面对0.41微米波长的光 的反射系数约为30%。这对光电池是一个很大的损失。因此应釆用合适的表面抗反射 涂层来减少损失。2）进入半导体材料的光子能量若小于材料的禁带宽度，光线将透过该材料而不被吸 收。因此选择适当的半导体材料和制作工艺，使太阳能电池有较好的光谱特性是十分重要的。常规的硅光电池光谱响应波长范围在041pm,峰值响应波长约为09pm3）进入电池的光子能量大于半导体材料禁带宽度时，能在材料内产生电子一空穴对，但若没有一种机制将电子一空穴对分离开，电子与空穴又 将很快复合而不能成为载流子。PN结的内建

5、电场在分离电子一空穴对的过程中起了 关键的作用。电子与空穴如果在复合之前受到内电场作 用，把P区产生的电子拉到N区，而把N区产生的空穴 拉向P区。使N区获得附加的负电荷，P区获得了附加 的正电荷。这样，在PN结上产生了一个光生电动势。这 一现象称为光伏效应。4光电池的等效电路在光照条件下，如果图4中的光电池的外回路断开（R图4光电池工祚原理fv-8）,产生了数值等于开路电压VOC的最大光生电势。如果将光电池外负载短路（R=0）, 那么被结分开的电子和空穴不可能在结处积累，在光生电势的驱使下流经外回路，产生了数值等于短路电流Isc的最大的光生电流.。光电池外按负载R这是正常使用情况。光生 电流流

6、经R产生一个电压降V=IR （图4）。从而使P区电位高于N区，相当于图3 （a）中 的正向偏置电压。因此在PN结中有从P区流向N区的二极管导通电流ID。它的方向与光 生电流方向相反。通过上面的分析，可以画出光电池的等效电路（图5）。太阳能电池相当于一个电流为IP的恒流源。它在工作时又相当于一个导通的 二极管，存在导通电流ID。RSh是PN结的并联电 阻。表示PN结存在泄漏电流。不过在现代工艺条 件下。泄漏电流很小，可以认为RSh远大于RS和R 而忽略不计。RS是太阳能电池电极等引起的串联电 阻。在制作太阳能电池时，应尽量减小RS.5硅光电池的伏安特性0 1IR 1 I%hi图5光电池的等效电路

7、由光电池等效电路可以看出，流过负载的电流I=IP-IDo式中的ID是因PN结二极管特性 存在的导通电流。IO为二极管反向饱和电流,V为PN结两端电压；e是电子电量；k是玻尔兹曼常数；T 为热力学温度；n称为理想系数，是表示PN结特性的参数，其理论值为1,取值在12之 间。于是，光电池输出电流式中Ip是光生电流；当太阳能电池输出端短路时，V=0,由式（2）可知短路电流Isc=Ip即太阳能电池的短路电流等于光生电流。当太阳能电池的输出端开路时，1=0由式（1） 和式（3）可得开路电压+10丿太阳能电池接上负载R时的伏安特性曲线如图（6）所示。在最佳负载R情况下，可使电池输出m功率最大-sc(4)P

8、 = IVm m m式中I和V分别为最佳工作电流和最佳工作 mm电压。定义填充因子图6硅光电池的伏安特性曲线PFF m=V Io c s cV ImmV Io c填充因子FF为太阳能电池的重要表征参数。FF越大。说明电池对太阳能的利用率越高。FF取 决于入射光强，材料的禁带宽度，理想系数，串联电阻，并联电阻等。太阳能电池的转换效率n定义为其最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能P之 比。耳-M x 100%P它与入射光的波长和电池的材料有关。(7)实验仪器硅太阳能电池、60W白炽灯、电阻箱、数字万用表、稳压电源。实验内容1.无光照时，在正向偏压下测量硅光电池的伏安特性。按图（7）接电路，无光

9、照时，硅光电池在正向偏置电压下的导通性质类似普通二极管。 偏压由062OV,注意在V较大时，测得密一些，将数据记入表1。由式 yenKTV -1我们估计一下指数的量级:0波尔兹曼常数k=138X 10a-23J/K，e=16X 10入19C, 常温下T300K，取理想因子n=2,贝0 nkT2X300X 1.38 X 10A-23=828X 10入2110八-2oj。+光电池一-勰若正向偏压V1V，则eV 1.6 x 10-19 J因此图7无光照测量IV-veVenKT V 1，即有 Ini = Ini + 。由 InIV 图直0 nKT线截距InIO可求得饱和暗电流IO由斜率可求得e/nkT

10、o2测量光电池的负载特性。（1）按图（8）接电路，不加偏压。白光源到光电池的距离20cm （使光线直射在光电 池）。为避免环境杂散光干扰，在光电池的侧面加放遮光罩。改变负载电阻，测量光电组输出1、V,电阻R取值从01kC 50kQ，数据记入表2.（2）作硅光电池的伏安特性曲线。沿曲线变化趋 势使曲线分别与I轴和V轴相交，找出短路电流I和sc 开路电压V并与直接测量结果I I 比较。ocsc， oc（3）作输出功率P随负载电阻变化的关系曲线。找出对应最大输出功率PM的最佳负载电阻人。（4）在IV图上，由斜率为I/Rm的直线，与曲图8有光照测量IV线的交点坐标可求硅光电池最佳工作电流IM和最佳工作电压VM，进而求出填充因子FF =V IM MV IOC SC数据表格表1光照正向伏安特性V (v)I (p A)InI表2光电池的负数特性R(kQ )0V(v)I(mA)P(mW)R(kQ )ooV(v)I(mA)P(mW)观察与思考观察与思考1.做完实验后，把光源前移和后移，改变与光电池的距离，测一下短路电流ISC与开路电 压V，oc的变化情况。2考虑一下，硅光电池除了用作电池，还可能有什么用处？把你的创意用框图表示出来。