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1、实验4 半导体光伏效应实验本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。一、实验目的1、初步了解太阳能电池机理2、测量太阳能电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 二、实验原理在P型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n结（如图1），由于光照，在A 、B电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。利用它制成的元器件称之为太阳能电池。光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多
2、国家致力研究和开拓应用的课题。 从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的图1 光伏效应结构示意图电流是光生电流和在光生电压作用下产生的p-n结正向电流之差，即 。根据p-n结的电流和电压关系=（- 1)式中是光生电压，为反向饱和电流 ，所以输出电流=(- 1) (1)此即光电流表达式。通常，上式括号内的1可忽略。对于太阳能电池有外加偏压时，（1）式应改为图2太阳能电池的伏安特性=+=+(- 1) （2）上式中(- 1)，就是p-n结在外加偏压V作用下的电流。图2中的(a)(b)两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的I-V 特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲
3、线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了和 。实验表明：在=0情况下，当太阳能电池外接负载电阻，其输出电压和电流均随变化而变化。只有当取某一定值时输出功率才能达到最大值，即所谓最佳匹配阻值，而则取决于太阳能电池的内阻Ri=。因和均随光照强度的增强而增大，所不同的是与光强的对数成正比，与光强(在弱光下)成正比 ，所以亦随光强度变化而变化。如图3所示。 、和都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率和与乘积之比FF= (3)FF是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子 。FF越大，太阳能电池的转换效率就越高。FF最大值约为0.750.85。太阳能电池的等效电路(如图4)，在一定负载电阻范围内可以
4、近似地视为一个电流源与内阻并联，和一个很小的电极电阻串联的组合。图4 太阳能电池等效电路图3 开路电动势、短路电流与光强关系曲线 四、实验方法1、光强调节与强度的表示本实验所用光源为LED(发光二极管)，根据LED的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改变LED的静态工作电流确定光强的相对值。仪器设定LED的工作电流调节范围为0-20mA ，对应显示器上的数值为0-2000 。也可用“归一”法表示光强，即设为最大光强，为改变后的光强，则 /为无量纲的相对光强。2、 标尺的设定为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向可调的标尺。选择三色发光管中任一颜色光源，接通LED
5、驱动电源，调节指示为1000左右，功能切换开关置档。将水平标尺调到10mm左右；再调垂直标尺，使开路电压达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色LED的发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。3、 LED驱动电流源粗调和细调旋钮的使用的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在输出较高时起作用，如显示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。五、实验内容1、测量开路电动势与光强的关系测量线路如图5所示。将功能切换开关打到档，然后将面板上(毫伏表)正、负输入端与PV装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。按实
6、验所需光源颜色，接通LED驱动电源。并调节标尺找到实验最佳工作状态。调节= 0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于PV装置不完全密封（如导线的入口处），可能有光线漏进装置中,使得显示不为0。调节测量不同光强下，太阳能电池的开路电动势 。将数据记入表1,并绘制曲线，说明其关系。 图5 测量开路电压线路图表1ID (mV)ID (mV)RGBRGB01751761763502152012085176177177400218202210101761781785002232052142017817917860022620721730181182182700231209222501851841858
7、00233211226100193188191100024321623015019919219712002482182322002051952001400251220234250209197203160025222123530021319920518002532222372、短路电流的测量测量线路图如图6所示。将功能切换开关打到档(注：在开启“DC 0-1V电源”前请先确认旋钮旋转到最小处，以防在瞬间接通时处于较大值，损坏太阳能电池)；调节DC 0-1V电源输出，使微安表读数为10.00-18.00mA（建议取10.00mA）。在某一光强下，改变可调电阻R ，使流过检流计（G）的电流为零。此时
8、AB两点之间和AC两点之间的电压应相等,即= 。因而R=,即短路电流= (r0为微安计内阻，为10KW)图6 测量短路电流线路图测量不同红光光强下，短路电流与光强的关系，将数据记入表2，并绘制 曲线，说明其关系。 表2IDR(K)Isc (A)1001502003004005006007008001000120014001600 3、按下式求出太阳能电池的内阻，并绘制曲线（自拟表格），说明其关系。4、流过负载电流与负载两端电压关系测量 选择红光光源进行实验。测量线路如图7所示。为实验仪上标示的取样电阻，为10 K；为电阻箱；将取样电阻（正、负记号端）与（微安表）正、负端对应连接，功能切换开关打
9、到档 。 图8 光电流与负载电阻两端电压关系曲线太阳能电池在恒定光照下(取约为1000)，测量在不同负载电阻时流过的电流与输出电压= ,将数据记入表3，并绘制曲线 。图7 负载特性测量线路图计算不同负载电阻下输出功率P，即P=，并绘出曲线 ，说明其关系，确定时的 及填充因子FF 。表3+ (K)ID=(A)(mV) = P(W) =101520304050607080901001502002503004005006007008009001000六、思考题1. 你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？2. 测量时，若不为零，如何根据的正、负号，确定增减R阻值，如为负是加大R还是减小R？3.
10、 为什么图2曲线b相对于曲线a是向下而不是向上平移？4. 分析当太阳能电池作为光控制器件使用时，应如何选择偏压方向？七、注意事项因为突然给LED光源施加或断掉一个大的冲击电流，会烧毁LED光源，所以，在给LED接通或断掉驱动电源前，务必将电流都调节为0，也即，将实验箱上的调节旋钮逆时针旋转到底。*注： 如英国瓦特麦德公司研制的太阳能电风扇，风扇系统由长1米高0.5米的太阳能电池板（55瓦）、逆变器等部件组成，逆变器将DC电源转换为AC 110伏供电扇使用，该系统除平时对自身供电外，多余的电能可对蓄电池充电，以供太阳能供电系统受光照发生变化时使用。又如美国通用公司制造的太阳能汽车，其太阳能电池板采用转换效率高达18%的新材料（一般硅太阳电池约为12%），汽车时速为75公里。据最新报道我国在湖北宜昌经济技术开发区投资建设年产45005000吨太阳能硅材料生产基地。尤其令人振奋的是到2008年北京奥运村的空调、照明的电源都将来自光伏发电。面对我国正大力发展新能源建设的前景，莘莘学子，真可谓是广阔天地大有作为！
