太阳能电池基本特性的测量(讲义)

太阳能电池基本特性的测量

太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。

【实验目的】

1． 在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏

安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。 2． 测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短

路电流(SC I )、开路电压(OC U )、最大输出功率m P 及填充因子FF ，

)]U I /(P FF [OC SC m ?=。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。

3． 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流SC I 和相对光强度0J /J 之间关系，画出SC

I 与相对光强0J /J 之间的关系图；测量开路电压OC U 和相对光强度0J /J 之间的关系，画出OC U 与相对光强0J /J 之间的关系图。

【实验原理】

太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：

)1e (I I U

o -?=β (1)

(1)式中，o I 和β是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成，如图1所示。C E 为

半导体导电带，V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图2所示。

图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：

0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ （2）

（2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得，

d sh

ph sh

s I R U I )R R 1(I --

=+

（3）

假定∞=sh R 和0R s =，太阳能电池可简化为图3所示电路。

这里，)1e

(I I I I I U

0ph d ph --=-=β。

在短路时，0U =，sc ph I I =；

而在开路时，0I =，0)1e

(I I oc

U 0sc =--β；

∴]1I I ln[

1U 0

sc OC

+β

=

（4）

（4）式即为在∞=Sh R 和0R S =的情况下，太阳能电池的开路电压OC U 和短路电流

SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。

【实验装置】

光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、白炽灯光源1只（射灯结构，功率W 40）、光功率计（带V 3直

流稳压电源）、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。

【实验内容】

1．在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的U ~I 特性，用实验测得的正向偏压时U ~I 关系数据，画出U ~I 曲线并求得常数β和0I 的值。

2．在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为cm 20。 （1）画出测量实验线路图。

（2）测量太阳能电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出U ~I 曲线图。 （3）用外推法求短路电流SC I 和开路电压OC U 。

（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 （5）计算填充因子)]U I /(P FF [OC SC m ?=。

3．测量太阳能电池的光照特性：

在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源cm 20水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度0J ；改变太阳能电池到光源的距离x ,用光功率计测量x 处的光照强度J ，求光强J 与位置x 的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度0J /J 不同

值时，相应的SC I 和OC U 的值。

（1）描绘SC I 和相对光强度0J /J 之间的关系曲线，求SC I 和与相对光强0J /J 之间近似关系函数。

（2）描绘出OC U 和相对光强度0J /J 之间的关系曲线，求OC U 与相对光强度0J /J 之间近

似函数关系。

【实验数据表格】

1．在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I 和太阳能电池的输出电压U 。测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：

表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录

若用户备有V 0.3~0直流可调电源，则可采用图6实验线路：正向偏压在V 0.3~0变化条件下，用Ω=1000R 固定电阻取代电阻箱（但电阻值必须准确，否则计算电流值时

将有较大的误差，把测量结果记录到表2中 。

表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录

由1e

I I U

-=β，当U 较大时，1e

U

>>β，即0I ln U I ln +β=由最小二乘法，将表中最后

几点数据处理得：求出: β,0I 和相关系数r 值 。

2.不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离cm 20，测量太阳能电池的输出I 对太阳能电池的输出电压U 的关系，测量电路请自拟 。把测量结果记录到表3。

3．测量太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系，用光强计测定不同光源距离时的光强值。短路电流可以直接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流电压档量出。把测量结果记录到表4中：

表4 太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系

【实验数据范例】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录

1

V

6361.2-=β，mA 102.15I 6

0-?=，相关系数9996.0r =，电流与电压的指数关系得

到验证。

表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录

由1e I I U

-=β，当U 较大时，1e

U

>>β，即0I ln U I ln +β=由最小二乘法，将表2

中最后6点数据处理得以下结果：

1

V

60.2-=β， mA 1028.6I 6

0-?=, 相关系数9998.0r = 。

表4 太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0J /J 的关系

从图10和图11中找出SC I 及OC U 与相对光强0J /J 的近似函数关系为：

)J /J (A I 0sc = (5) C )J /J (B I n U 0oc += (6)

利用最小二乘法拟合，得1722.0)J /J (2855.1I 0SC +=，相关系数9985.0r =；

9207.3)J /J (In 2013.0U 0oc +=，相关系数9973.0r = 。从最小二乘法拟合中，可知对

短路电流SC I 和开路电压OC U 关系式（5）式和（6）式成立。

FB736型太阳能电池特性实验仪使用说明书

一．概述：

能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已成为世人关注的全球性问题。为了经济持续发展及环境保护，人们正大量开发其它能源如水能、风能及太阳能的利用。其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。本仪器提供的实验，意在提高学生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池的基本光电特性，学会电学与光学的一些重要实验方法及数据处理方法。可用本仪器做下列实验：

1．在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管），测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式。

2．测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率m P 及填充因子

FF )]U I /(P FF [OC SC m ?=。

3．测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 与相对光强0J /J 的关系，求出它们的近似函数关系。

本仪器可用于高校基础物理实验及设计性、研究性的物理实验，也可用于中学生物理奥林匹克竞赛培训等使用 。 二．仪器简介：

本实验仪器主要由射灯形白炽灯光源（W 40）、光具座、带暗盒的太阳能电池、光功率计（带V 3直流稳压电源）、电阻箱1只（自备）、数字式万用电表1只（自备）、导线若

干等组成：

三．技术指标：

1．式导轨光具座1个：铝合金材料，表面电泳处理，标尺长cm

50，分度值mm

0.

1。2．滑块支架2个：铝合金材料，表面电泳处理。

40射灯形结构。

3．光源：功率W

4．暗盒内装太阳能电池及正负引出线,遮光板1块(暗盒中使用)。

5．带探测器三位半数字式光功率计，量程为mW

200

0 二档。

~

W

&

~

2

6．遮光罩1个，可在明室完成暗室实验操作。

7．手电筒1个。

8. 单刀双掷开关1个。