太阳能电池的特性测量
实验20 太阳能电池特性的测量
实验20 太阳能电池特性的测量太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。
目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。
利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。
太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21世纪的热门课题。
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器件。
由这种器件与相配套的装置组成的太阳能电池发电系统具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪声、无污染等优点。
世界上第一块实验用半导体太阳能电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。
经过50多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。
目前太阳能电池的应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域，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。
太阳能是一种清洁的“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。
【实验目的】1．探讨太阳能电池的基本特性；2．研究无光照时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性；3．测量太阳能电池有光照时的输出特性，并求出它的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子；4．测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。
【预备问题】1．如何对光具座的同轴等高调节？2．太阳能电池在使用时正负极能否短路？普通电池在使用时正负极能否短路？3．太阳能电池的基本工作原理是什么？4．填充因子的物理意义是什么？如何通过实验方法测量填充因子？【实验仪器】太阳能电池特性实验仪（包括光具座、滑块、光源、太阳能电池、遮光板、光功率计、直流稳压电源、遮光罩、单刀双掷开关等）、万用表、电阻箱。
【实验原理】1．太阳能电池的结构以晶体硅太阳能电池为例，它以P型硅半导体材料作为基质材料，通过在表面的N型杂质扩散而形成PN结，N型半导体为受光面，为了减少光的反射损失，一般在整个表面覆盖一层减反射膜，在N型层上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图20-1 太阳能电池结构图触电极，这样就形成了晶体硅太阳能电池，如图20-1所示。
太阳能电池特性测量
实验一太阳能电池的特性曲线测定
【实验目的】
测定太阳能电池的电流—电压特性及其功率曲线。
【实验原理】
太阳能电池模块的性能不仅与电池本身的特性有关，同时也和回路中的负载有关。
通过实验可以测定最大功率点，及MPP点，在此位置可以获得太阳能电池模块的最大输出功率。
测试电路如下：
【实验仪器】
太阳能电池模块1个，光源1个，电阻箱1个，电压、电流传感器各1个，
750型数据转换器1台，微型计算机1台。
【操作程序和数据】
如图连接电路。
将电压传感器和电流传感器与转换器连接并打开电源。
打开光源使灯光直射到太阳能电池板上。
等待一分钟以避免由于温度起伏引起的误差。
然后从开路状态（R=∞）开始测量电流—电压曲线，之后逐渐减小电阻，对每一个阻值记录相应得电压和
电流。
为了得到有代表性的结果，每一对数据测量的时间持续20秒左右。
【数据记录及数据处理】
根据记录的数据画出电流—电压曲线和电流—功率曲线。
【注意事项】
1．光源距离太阳能电池板的距离不宜太近，以免损坏太阳能电池。
2．实验过程中要注意观察回路中的输出电流，最大电流不能超过1.5A，以免损坏电流传感器。
1。
太阳能电池特性测量
太阳能电池无光照特性测量实验目的在没有光照时，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实验器材THQTN-1型太阳能电池特性测试仪（太阳能电池板、光功率计探头、直流电压表、直流电流表、直流稳压电源、负载电阻、入射光强指示、白炽灯、导轨等）实验原理一．太阳能电池板结构以硅太阳能电池为例，结构示意如图1。
硅太阳能电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成。
在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，这样就形成了太阳能电池板。
为了减少光电池表面的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。
二．无光照时，太阳能电池正向U I -特性太阳能电池工作原理基于光伏效应。
当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量。
并将所吸收的光子的能量转换为电能。
在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向电压与通过的电流I 的关系为0(1)U I I e β=- 式中，o I 和β是常数。
实验步骤：一．测量太阳能电池无光照时的伏安特性实验条件：用遮光罩挡光，使太阳能电池无光照。
太阳能电池正向电压测量范围：0～3.00V ，测量10个点，变化明显处测量间隔要小。
测量电路如图2所示。
太阳光电极 N P 型射膜图1 太阳能电池板结构示意图图2二.步骤：1.用导线按照电路图将实物连接好。
2.太阳电池合上暗室盖，电流表选择2mA档。
3.调节直流稳压电源，使电压值显示为数据表所示4.记录相应数据填入数据表中。
5.根据表格画出太阳电池无光照下的伏安特性曲线。
实验完成，整理好导线及器材。
实验结论：画出太阳能电池无光照时的伏安特性曲线。
仪器介绍：太阳能电池特性测试实验仪主要由两部分组成：1．太阳能电池实验仪部分有：太阳能电池板及锁紧螺钉，光功率计探头，白炽灯，导轨，底座，实验装置如图2所示。
图22．太阳能电池测试仪部分有：直流电压表，直流电流表，入射光强指示，直流稳压电源，负载电阻。
测试仪面板如图3所示。
太阳能电池特性的测量实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除太阳能电池特性的测量实验报告篇一：太阳能电池特性测量实验本科学生实验报告学号姓名学院物电学院专业、班级12级光电子班实验课程名称太阳能电池特性测量实验教师及职称开课学期学期填报时间日云南师范大学教务处编印一、实验设计方案篇二：实验报告--太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名：张伟楠班级：F0703028学号：5070309108实验成绩：同组姓名：张家鹏实验日期：08.03.17指导教师：批阅日期：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10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）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．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p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pn结附近，使p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（photovoltaiceffect,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Iph．同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流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（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≈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．。
【2019年整理】太阳能电池特性的测量
实验目的 实验原理 数据记录及处理
仪器及材料 实验内容 注意事项及思考题
2019/4/12
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实验目的
1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性 曲线。 2. 测量太阳能电池的I 对U 的变化关系, 短路电流、开路电压、最大输出功率及填 充因子。 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压 与相对光强的关系，求出它们的近似函数 关系。
太阳能电池特性的测量
物理实验中心
2019/4/12
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太阳能电池基本特性的测量
太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的 能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。 利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机 发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是 21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器 进行研究。因此，在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实 验，介绍太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量， 联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。
IRs U (I ph I d I )Rsh 0
Rs U I (1 ) I ph Id Rsh Rsh
（ 3）
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假定 Rsh 和 Rs 0 ，太阳能电池可简化为图3所示电路。
Id Iph I
U
图3 这里， I I ph I d I ph I0 (eU 1) . 在短路时，U＝0，I ph I sc ； U 而在开路时，I＝0， I sc I0 (e 1) 0 ；
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数据记录及处理
太阳能电池的特性测量
太阳能电池的特性测量（虚仿）创建人：系统管理员总分：100报告人：学号：分组序号：一、实验目的[线上学习不用写]二、实验仪器[线上学习不用写]三、实验原理[线上学习不用写]四、实验内容[线上学习不用写]五、原始实验数据记录1、测量太阳能电池的短路电流I s和开路电压U0Is=45mA，U0= 2.03 （V）2、测量太阳能电池的端电压U和电路的电流I，见下表。
次数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 内容I/mA 14.1 12.4 11.1 9.6 7.8 6.0 4.1 2.4 45.0 45.0 U/V 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00 2.01 2.02 1.34 0.45 R/Ω138 158 177 206 255 333 490 841 29.8 10.0 P/mW 27.5 24.3 21.9 19.0 15.5 12.0 8.24 4.85 60.3 20.2六、数据处理（1）根据U－I测量结果，完成上面的实验表格，并求出最大的功率P和最大的电max 。
答：Pmax=72.2mW Rmax=39.6Ω阻Rmax（2）计算填充因子答：由U0=2.03V Is=45mA结合（1）可知FF=0.790七、思考题1、总结太阳能电池和普通电池的异同点？答：相同点：太阳能电池和普通电池最终储存得都为电能，在相应的时间段内，两者都能够作为储存电池持续提供电能。
不同点：太阳能电池不需要消耗化学物质，只要有阳光就会生电；普通电池必须要发生化学反应才会生电。
普通电池有一定得寿命，不可储存太久，否则电量会慢慢耗尽，太阳能电池不存在化学物质失效的问题，可以长期保存。
八、实验总结答：实验测得的最大功率Pmax=72.2mW，对应电阻Rmax=39.6Ω，填充因子为0.79实验误差分析：系统误差：电流表与电压表内阻以及导线内阻接触电阻对实验的影响；因为导线的接入而导致遮光罩可能没有完全密封；万用表及变阻箱造成的误差；随机误差：人为记录数据时记录错误，读数不准确，接线时没有接正确，万用表的读书不准确。
实验7 虚拟仿真实验--太阳能电池的特性测量(2)
本实验万用表作为电流表时选择量程
，作为电压表时选择量程。连
线时注意黑色表笔连接接地端，红色表笔连
接电流（或电压）插孔。把量程调节到相应
的档位，打开开关即可进行读数。
双击电池板可弹出放大图，每个九宫格
上的点是连接在一起的，在放大图里调节可
变电阻的大小。
测量值/组数
第一组
第二组
第三组
第四组
()
39.91
51.06
69.92
109.59
()
45.45
58.00
79.60
127.15
/
0.878
0.880
0.878
0.862
表5 电阻 及由 = / 得到的内阻的比较
第一组
第二组
第三组
第四组
()
的重要电源。
随着可再生能源的渐趋枯竭和石化燃料
带来污染的日趋严重，太阳能电池将成为未
来重要的基础能源之一。
图1 共享单车车筐里的太阳能电池板
三、实验原理/ 3.2 PN结
光照
+
+
+
+
内建电场
-
PN结即最简单的太
阳能电池器件
图2 太阳能电池的原理图
PN结内部存在由正、负离子的扩散引起的内建电场（如图2所
双击光源电源可弹出放大图，在放大图
里调节光源的亮度。
图5 万用表放大图
四、实验内容/4.2 实验步骤
1. 按右图所示连接电路图
2. 左边万用表作为电流表，量程选。右边万用表作为电压表，
量程选为；
大学物理研究性实验报告_太阳能电池的特性测量
大学物理研究性实验报告_太阳能电池的特性测量摘要：本实验旨在通过特性测量方法研究太阳能电池的工作机理和特性参数，并验证太阳能电池的光伏效应。
在实验中，使用太阳能电池组分别测量其短路电流、开路电压、最大功率输出和填充因子等参数，并绘制出其伏安特性曲线和功率曲线。
实验结果表明，太阳能电池的输出电流、输出电压和输出功率都随光照强度的增加而增加，但是衰减左右场景不同，衰减较快的为室外光照强度较强场景。
太阳能电池的最大功率输出点需根据不同光照强度下自行求解，而填充因子对太阳能电池的输出功率有显著影响。
关键词：太阳能电池；特性测量；伏安特性曲线；功率曲线；光伏效应；填充因子 1. 实验原理太阳能电池是一种将光能直接转换为电能的装置，其工作原理是基于光伏效应。
当光照射在半导体材料上时，会在材料内部产生电子-空穴对，即通过光照，半导体材料内的电子从价带跃升到导带，留下空穴。
由于这些电子和空穴在电场作用下会分别向相反的电极移动，因此在同一方向引出电流，形成光生电动势。
太阳能电池的主要参数包括短路电流$I_{sc}$、开路电压$V_{oc}$、最大功率输出$P_{max}$和填充因子$FF$。
短路电流是在电池组端口短路状态下的输出电流，而开路电压是在电池组端口开路状态下的电压。
最大功率输出是在负载电阻为某一特定值时，电池组所输出的最大功率。
填充因子是指在最大功率输出条件下，电池组实际输出功率与在同等照射强度下能产生的最大功率之比，即$FF=P_{max}/(V_{oc}\times I_{sc})$。
2. 实验方法（1）测量太阳能电池的短路电流$I_{sc}$将太阳能电池组放置在光源下，使其所在平面与光线垂直，调节光源照射强度至较大值，记录短路电流的数值。
此时，太阳能电池组端口暂时不接任何负载电阻。
（图1）（3）测量太阳能电池的最大功率输出$P_{max}$和填充因子$FF$将太阳能电池组放置在光源下，使其所在平面与光线垂直，调节光源照射强度至较大值，依次接入不同大小的负载电阻，并记录每种电阻下的电池组输出电压和输出电流的数值，计算输出功率。
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数据测量与处理
I-U特性曲线
数据测量与处理
P-R特性曲线
导电带 EC 能隙 价电带 空穴 EV
电子 光子
实验原理
实验原理
Iph-Id Id Iph I Rsh Rs
+ U RL
IRs U ( I ph I d I ) Rsh 0
Rs U I (1 ) I ph Id Rsh Rsh
实验原理
假定： Rsh
太阳能电池发展与应用
世界太阳能电池发展的主要节点
1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％ 1955 第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池 1958 太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。 1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。 1960 太阳能电池首次实现并网运行。 1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。 1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世 1978 美国建成100KW光伏电站
太阳能电池发展与应用
并网发电系统及工作原理
太阳能电池发展与应用
交通领域
如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/ 标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路 无线电话亭、无人值守道班供电等。
太阳能电池发展与应用
光伏航标灯
太阳能电池发展与应用
路灯
太阳能电池发展与应用通讯/通信领域
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播 /通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小 型通信机、士兵GPS供电等。
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绘出伏安特性曲线。 6. 根据表2可以绘出P-R特性曲线。并完成表格3及表格4。
太阳能电池发展与应用
石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、 石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气 象/水文观测设备等
风云三号气象卫星的太阳能电池
太阳能电池发展与应用
海洋气象监测标
太阳能电池发展与应用
光伏电站 10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、 各种大型停车厂充电站等。
太阳能电池发展与应用
实验原理
太阳能电池，又称光伏器件，是一种利 用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。 它是太阳能光伏发电的基础和核心。
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：
I I o (e
U
1)
由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC－EV的半导体构成。EC为 半导体电带，EV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。
太阳能电池发展与应用
1980 单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％， Ga As为22.5％ 1986 美国建成6.5KW光伏电站 1990 德国提出“2000光伏屋顶计划” 1995 高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。 1997 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提 出“新阳光计划” 1998 单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万 光伏屋顶计划” 2000 世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010 年生产60亿瓦光伏电池
Ri= U0/IS
这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小，它们之 比为 Pmax F U 0 IS F称为填充因数。
此外，太阳能电池的输出功率
P=U·I
最大功率Pmax
数据测量与处理
仪器： 太阳能电池 插件板 万用表两块 光源：卤素灯 稳压源
数据测量与处理
实验步骤
Rs 0
U
Id
I
1
I I ph I d I ph I 0 (e
短路时： ISC=Iph
1)
Iph
U OC
ln[
I sc 1] I0
U
开路时：
I sc I 0 (e
U OC
U oc
1) 0
I sc ln[ 1] I0 1
实验原理
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佳负载电阻Rmax时达到一 个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。
太阳能电池的特性测量
物理实验中心
主要内容
1. 2.
思考问题 太阳能电池发展与应用
3.
4.
实验原理
数据测量与处理
问题
1、何谓短路电流？开路电压？填充因子？ 2、改变入射太阳能电池光束的强度，可以 采用什么方法？ 3、如何求得太阳能电池的最大输出功率？ 最大输出功率与它的最佳匹配电阻有什么 关系？ 4、如何提升太阳能电池的光电转换效率？