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1、太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U0和短路电流I。0s2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P和负载电阻R的函数关系。3. 确定太阳能电池的最大输出功率P 以及相应的负载电阻R和填充因数。max max原理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p区、n区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1）。那些在pn结 附近n区8中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。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 空间电流
2、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。只有p区的光生电子和n区的光生空穴和结区的电子空穴对（少 子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n区，光生空穴被 拉向p区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在n区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn结的内建电场方向相反的光生电场, 其方向由p区指向n区。这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect）。图 1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到 p区
3、的光生电流Is。同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二级管电流ID，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I为两个电流之差：I = I （）I （U ）（1）SD如果连接一个负载电阻R，电流I可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度的负 方向电流I,以及取决于端电压U的正方向电流ID。sD 由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图 2）。在负载电阻小的情况下，太 阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流ID可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流ID （U）迅速增加。图2在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（
4、U ，I ：最大功率点）ma ma当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流等与光生电流I。当太阳电池的输出端s开路时，可以得到开路电压U0。在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R。太阳能电池的输出功率在 最大负载电阻R 时达到一个最大功率P ，R 近似等于太阳能电池的内阻R.。2)3)mama maiR=U/Ii 0 S这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小（见图 2），它们之比为PF maxU -10SF 称为填充因数。我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会导致更大的开路电压 U0， 而并联会导致更大的短路电流IS。在本实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录
5、在四个不 同的光照强度时电流和电压特性。光照强度通过改变光源的距离来实现。此外，太阳能电池的输出功率P=UI（4）是负载电阻R=U/I（5）的函数。仪器太阳能电池两块插件板： A4 大小万用表两块一个光源：卤素灯一个稳压源：212V, 100W& J6* -4Ji k 丄 d图 3 实验装置仪器调整实验装置见图 3。1. 把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来（串 联起2 个太阳能电池）。2. 插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上。3. 连接电流表，使它和电池、可变电阻串联。选择测量范围：直流 200mA。4. 连接电压表使之与电池
6、并联，选择量程：直流 2V。5. 连接卤素灯与稳压源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光。实验步骤1. 接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变卤素灯的距离或调节光源输 出光功率，使短路电流大约为 45mA。2. 逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流和电压值，记入表格 1。3. 断开电路，测量开路电压并记录。4. 调节电源功率，调整短路电流约35mA, 25mA和15mA，并重复上述测量。5. 根据表1,用坐标纸或Excel绘出U-I曲线。6. 根据表2,坐标纸或Excel绘出P-R特性曲线。7. 计算表格 3 的物理量。8由表格4计算填充因数的平均值。数据记录表格表1：测量太
7、阳能电池的端电压U和通过负载电阻的电流1（短路电流IS开路电压U0）第一组第二组第三组u第四组IS =Uo =Uo =Uo =Is =Uo =I/mAU/VI/mAU/VI/mAU/VI/mAU/V表2：根据表1测量的U j和I值计算得到的P和R值第一组第二组第三组第四组R/QP/mWR/QP/mWR/QP/mWR/QP/mW表4：最大功率P 和开路电压与短路电流的乘积teas第一组第二组第三组第四组P/mWU0-IJ mWu sF=P/ U0-ISmax0S由表1绘出的伏安特性曲线说明负载电阻R、端电压U及光的辐射强度之间的关系。 由表2绘出P-R特性曲线说明在一定的光照强度下，P与R之间的关系。 太阳能电池的短路电流与光照强度之间是什么关系？ 在一定的负载电阻下，太阳能电池的输出功率取决于什么？何时输出功率最大？且与光 照强度有怎样的关系？ 对于负载电阻较小时，太阳能电池表现出什么特性，而负载电阻较大时有什么特性？思考题
