太阳能电池特性
第3章太阳能电池的特性
第3章太阳能电池的特性太阳能电池的特性光伏电池的特性⼀般包括光伏电池的输⼊输出特性(伏安特性)、照度特性以及温度特性。
1. 伏安特性当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系(伏安特性)可以简单的⽤图2．9所⽰的特性曲线来表⽰。
图中：V oc 为开路电压；Isc 为短路电流；Vpmax 为最佳⼯作电压；Ipmax 为最佳⼯作电流。
最佳⼯作点对应电池的最⼤出⼒Pmax ，其最⼤值由最佳⼯作电压与最佳⼯作电流的乘积得到。
实际使⽤时，电池的⼯作受负载条件、⽇照条件的影响，⼯作点会偏离最佳⼯作点。
1.1 开路电压Voc光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。
1.2 短路电流Isc光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。
1.3 填充因⼦FF实际情况中，PN 结在制造时由于⼯艺原因⽽产⽣缺陷，使光伏电池的漏电流增加。
为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲率加⼤，定义曲线因⼦FF 为Uoc Isc P Uoc Isc Up Ip FF ?=??=max max max曲线因⼦是⼀个⽆单位的量，是衡量电池性能的⼀个重要指标。
曲线因⼦为1被视为理想的电池特性。
⼀般地，曲线因⼦在0．5～O ．8之间。
1.4 转换效率转换效率⽤来表⽰照射在电池上的光能量转换成电能的⼤⼩，它是衡量电池性能的另⼀个重要指标。
但是对于同⼀块电池来说，由于电池的负载的变化会影响其出⼒，导致光伏电池的转换效率发⽣变化。
为了统⼀标准，⼀般公称效率来表⽰电池的转换效率。
即对在地⾯上使⽤的电池，在太阳能辐射通量1000w ／m2、⼤⽓质量Aml.5、环境温度25℃，与负载条件变化时的最⼤电⽓输出的⽐的百分数来表⽰。
⼚家的说明书中电池转换效率就是根据上述测量条件得出的。
2.照度特性光伏电池的出⼒随照度(光的强度)⽽变化。
如图2．10所⽰，短路电流与照度成正⽐；图2．1l所⽰，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持⼀定的开路电压。
《太阳能电池特性》课件
硅材料
薄膜太阳能电池使用薄层材料，如铜铟镓硒和镉敏化太阳能电池，具有较低的成本和较高的灵活性。
薄膜材料
使用硫化镉、铜锌硒等多元化合物材料制造的太阳能电池，具有较高的光电转换效率和较低的成本。
多元化合物材料
严格控制原材料质量
确保使用的材料符合要求，避免杂质和污染物对太阳能电池性能的影响。
05
CHAPTER
理想能带结构的特点是导带和价带之间的禁带宽度适中，能够有效地吸收太阳光并产生电子-空穴对。
在太阳能电池中，能带结构决定了电子的激发和传输过程。
不同材料的能带结构不同，因此太阳能电池的转换效率也不同。
在太阳能电池中，光吸收过程产生的电子-空穴对需要被有效地分离和收集。
电荷分离和收集的效率决定了太阳能电池的输出电流和电压。
高效的电荷分离和收集需要良好的电场分布和载流子传输路径。
表面和界面态对电荷分离和收集的影响也是研究的重点。
01
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太阳能电池的输出电流和电压是由光吸收、电荷分离与收集等多个过程共同决定的。
电压的产生与能带结构、表面态和界面态等有关。
电流的产生与光吸收过程中产生的电子-空穴对的数量和传输效率有关。
表面处理技术
移动能源
研发便携式太阳能电池产品，如太阳能背包、太阳能充电器等，满足移动能源需求。
建筑集成
将太阳能电池集成到建筑中，实现建筑能源的自给自足，降低建筑能耗。
农业应用
将太阳能电池应用于农业领域，如太阳能灌溉、太阳能温室等，提高农业生产效率。
THANKS
感谢您的观看。
太阳能电池的输出电流和电压受到多种因素的影响，如光照强度、温度等。
03
CHAPTER
太阳能电池伏安特性
找出最大功率点对应的电阻值为最佳匹配负 载。
由
FF Pmax VocIsc
计算填充因子。
由
s
Pmax Pin
100%
计算转换效率。 Pin 为
入射到电池板上的光功率 Pin =I×S1
可编辑ppt
18
注意事项
在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳 能电池 。
光源工作及关闭约1 小时期间，温度很高， 请勿触摸。
+ ++ +
-- - - -
+ ++ +
-- - - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++ - -- - -
+ + +++
p型
耗尽区 n型
正偏 可编辑ppt
6
硅光电池--基于光伏效应
入射光
当PN结零偏或反偏
p型硅受光层
耗尽区存在一内电场
光 入射光子将把处于价带中的 照 束缚电子激发到导带
激发出的电子-空穴对在内电场作 用下分别漂移到Ｐ型区和N型区
P
E
I
n
GG
n 型硅基片层
硅光电池结构示意图
PN结两端加负载时就有光生电流流过负载
可编辑ppt
7
实验仪器
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8
实验内容
1．太阳能电池的暗伏安特性测量。 2．开路电压、短路电流与光强关系的测量。 3．太阳能电池的输出特性测量。
太阳能电池原理及特性
1.1 太阳能电池原理1.1.1半导体材料对光的吸收太阳能电池，又叫光伏电池，是一种利用太阳光直接发电的光电器件。
太阳能电池之所以能够把太阳光转化为电能是由于它是利用太阳能光电材料制成的，而太阳能光电材料是一类重要的半导体材料，常温下它的导电性能介于导体与绝缘体之间。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（CdS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
当一束强度为I0的光正交入射到半导体表面时，一部分被半导体表面反射回来，一部分进入半导体被吸收，还有一部分将透过半导体。
在半导体内离前表面距离为x处的光强I(x)由吸收定律决定：I(x) = I0 （1—R）e—αx （3—1）其中α为与波长相关的吸收系数，R为半导体表面的反射率。
在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类。
如图3－1所示，位于价带的一个电子，吸收一个能量为hf的光子后越过禁带进入导带，在价带中留下一个空穴，形成了一个电子空穴对。
这种在能带间跃迁并形成载流子的过程称为本征吸收。
这实际上是半导体本身的原子对光子的吸收。
在晶格图象中，硅原子间共价键的一个电子吸收了一个能量为hf的光子后成为自由电子，同时在共价键断裂处留下一个空穴。
图3－1 载流子的本征吸收一个电子吸收一个光子的能量hf并具有能量以跃迁过禁带而进入价带，则被吸收的光子必定要满足：hf≥Eg（3—2）或者：h c/ λ≥Eg（3—3）硅的禁带宽度Eg = 1.119eV，因此硅材料可以本征吸收的光波波长应小于1.109nm。
与本征吸收对应的是非本征吸收，非本征吸收包括激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格振动吸收等。
激子吸收指价带中的电子吸收一个能量为hf∠Eg 的光子而离开价带，但却无法进入导带成为自由电子。
该电子实际上还和空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个新的电中性系统，称为激子。
太阳能电池特性实验仪实验报告(综合)
太阳能电池特性研究实验数据记录报告
表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量
以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。
实验结论：
表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系
根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。
实验结论：
指导教师：（签字）
2014年月日
表3 三种太阳能电池输出特性实验 D=20cm 光强I= W/m2S=2.5×10-3m2Pin=I×S= mW
根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线。
找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。
根据表3数据和图4可以得出三种太阳能电池的最佳匹配负载分别为：
单晶硅：Ω，多晶硅：Ω，非晶硅：Ω
根据表3中数据计算三种太阳能电池的填充因子：
表4 三种太阳能电池的填充因子
计算转换效率：
表5 三种太阳能电池的转换效率表
实验结论：。
指导教师：（签字） 2014年月日。
太阳能电池的特性测量
太阳能电池特性测量实验报告学院能源与环境工程学院班级学号姓名林晓晨一、实验目的与实验仪器实验目的：（1）了解太阳能电池的光伏效应原理，了解单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的差别；（2）研究在无光照情况下太阳能电池的伏安特性（即暗伏安特性）；（3）研究在光照情况下太阳能电池的输出特性。
实验仪器：ZKY-SAC-I 太阳能电池特性实验仪、可变负载、光源、导轨、遮光罩、光强探头、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。
二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）1.太阳能电池光生伏特效应的原理光生伏特效应是指半导体材料由于受到光照而产生电动势的现象，简称光伏效应。
太阳能电池就是利用这种半导体P-N 结受到光照时的光伏效应进行发电的。
需要注意的是，太阳能电池产生光生伏特效应用于发电需要满足两个条件：（1）材料对光具有本征吸收（可以产生内光电效应）；（2）在太阳能电池内部可以形成内建电场，能够迅速分离光生载流子，且能够阻止光生载流子的复合。
2.太阳能电池的特性当无光照射在太阳能电池时，可以将太阳能电池等效为一个二极管；有光照射在太阳能电池时，则可以将其等效为一个受控电流源，其等效电路如图5.17-2 所示。
图中，I L为光照射到电池吸收层中产生的光生电流，当光照相对比较恒定的时候，光生电流不会随着工作状态改变，可以看做恒流源。
理想的太阳能电池正向电流IF与其压降UF之间满足以下关系式：三、实验步骤（要求与提示：限400字以内）1.太阳能电池的暗伏安特性测量将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.3V 记一次电流值，并将数据记录到表中。
将电压输入调到0V，并将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。
逐渐增大反向电压，每间隔1V 记录一次电流值，并将数据记录到表中。
绘制三种太阳能电池的伏安特性曲线。
2.开路电压、短路电流与光强关系测量打开光源开关，并预热 5 分钟。
太阳能电池特性数据处理参考
太阳能电池特性数据处理参考太阳能电池特性数据处理是评估太阳能电池性能的重要步骤。
在此过程中，需要使用各种工具和技术来处理从太阳能电池采集到的数据。
下面将提供一些处理太阳能电池特性数据的参考方法。
1. 数据收集和准备在处理太阳能电池特性数据之前，需要确定所需的数据。
太阳能电池通常被测量它们的IV（电流-电压）曲线。
这些曲线显示太阳能电池在不同电压和电流下的响应。
其次，需要收集一些基本属性，例如温度和光照强度。
2. IV曲线绘制和分析在收集到IV数据之后，需要将数据绘制为IV曲线。
这可以通过使用一个合适的软件来完成。
绘制出IV曲线后，可以进行以下分析：a. 找到最大功率点：最大功率点是太阳能电池输出功率最高的点。
它通常出现在IV 特性曲线的一个突起处。
可以通过计算IV曲线上的功率（P）来找到最大功率点。
最大功率点处的电压（V）和电流（I）可以通过读取IV曲线的坐标来确定。
b. 计算填充因子：填充因子（FF）是太阳能电池的实际输出功率和理论最大输出功率之间的比率。
填充因子越高，太阳能电池的性能越好。
可以通过计算公式FF=Pmax/Voc*Isc来计算填充因子。
c. 计算效率：效率是太阳能电池将光能转化为电能的能力。
可以通过计算公式η=Pmax/(Pinc)来计算效率，其中Pinc是从太阳光源接收到的输入光功率。
3. 数据分析工具可以使用各种工具来分析太阳能电池特性数据。
以下是一些常用的数据分析工具：a. MATLAB：MATLAB是数学分析和技术计算的强大工具。
它可以用于处理和分析太阳能电池的IV特性数据，并创建自定义图表和图形。
b. Excel：Excel是流行的电子表格程序，可以用于处理和分析太阳能电池的数据并创建图形和图表。
c. Python：Python是一种通用编程语言，可以用于处理和分析太阳能电池的数据，并自动化数据处理过程。
4. 数据报告撰写最后一个步骤是将处理后的数据和分析结果整合到一个报告中。
第3章 太阳能电池的特性-2
其他效应 光强效应
聚光对太阳能电池的伏安特性的影响
&3.4.2
其他效应 光强效应
聚光太阳能电池
聚光太阳能电池是一种在光强大于一个太阳的光照下工作的太阳能电池。入射太阳
光被聚焦或透过光学器件形成高强度的光束射到小面积的太阳能电池中。
聚光太阳能电池有几个潜在的优势，包括比平板太阳能电池更高的转换效率和更低
&3.2.5
太阳能电池的参数 效率
发电效率是人们在比较两块电池好坏时最常使用参数。 效率的定义为电池输出的电能与射入电池的光能的比例。
除了反映太阳能电池的性能之外，效率还决定于入射光的光谱和
光强以及电池本身的温度。 在比较两块电池的性能时，必须严格控制其所处的环境。测量陆 地太阳能电池的条件是光照AM1.5和温度25°C。而空间太阳能电池 的光照则为AM0。
的成本。电池的短路电流大小与光的强度成线性关系，这种改变并没有带来转换效 率的提升，因为入射功率也随光强呈线性提高。
由于开路电压与短路电流呈对数关系，转换效率得以提升。因此，在聚光条件下，
VOC随着光强上升呈对数形式增加，如下面式子所示：
nkT ISC V' OC ln I q O
低光强
在光强变低时，并联电阻对电池的影响将慢慢变大。因为通过电池的前置 偏压和电流会随着光的强度的减小而减小，而电池的等效电阻也将开始接 近并联电阻的大小，分流到并联电阻的电流将增加，即增加了能量损失。 在多云的天气下，并联电阻高的电池比并联电阻低的电池保留更大部分的 电流。
&3.5.1太阳能电池的测量
太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种： 第一，穿过电池发射区和基区的电流流动； 第二，金属电极与硅之间的接触电阻； 第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响
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3. 输出功率：太阳能电池的输 出功率为输出电压与输入电压 的乘积。 输出电压与输出电流的最大乘 积值称为最大输出功率Pmax 。
输出电流 I （输出功率）
Pmax
ISC
图2
VOC 输出电压 V 太阳能电池的输出特性
4. 填充因子Fill Factor (F.F)，是太阳能电池性能优劣的重要
参数，其值越大，电池的光电转换效率越高。
实验目的
1.测量太阳能电池的暗伏安特性；
2.测量开路电压、短路电流与光强关系的；
3.测量太阳能电池输出特性。
实验原理
太阳光电池的发电原理是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm 波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种 发电方式。
太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件，由运用P型 与N型半导体接合而成的，其基本结构就是一个大面积的P-N结。
Pmax F .F Voc I sc
5. 能量转换效率Power Conversion Efficiency (ηs(%) )：
太阳电池的最大输出功率和入射光的功率之比。
Pmax s % 100 % Pin
Pin I S
其中I为光强，S为面积
S 0.003m
2
* 测太阳能输出特性实验时，选30cm处的光强
注意：1.选距离为30cm进行实验； 2.边做边算，找出并标注最大的输出功率，且之后需有两组数据做支撑。
表3 3种太阳能电池输出特性实验
注意事项
1. 开路电压、短路电流不能同时测； 2. 做太阳能电池输出特性实验也就是表3时，要边做 边算，找到最大值，并作标注，且找到最大值后需 要有两组数据来支撑； 3. 每个实验台上的仪器不能相互调换； 4. 实验完毕后，请整理好试验台。
实验报告要求
Hale Waihona Puke 实验报告用坐标纸画出特性曲线图
预习手册数据页
太阳能电池特性实验
能源短缺
环境污染
太阳能光伏发电—是可以预 见的清洁能源利用最好方案。太 阳能电池又称为“太阳能芯片” 或“光电池”是通过光电效应或 者光化学效应直接把光能转化成 电能的装置。只要被光照到，瞬 间就可输出电压及电流。在物理 学上称为太阳能光伏 (Photovoltaic，photo 光线， voltaics 电力，缩写为PV)，简称 光伏。 本实验主要研究多晶硅，非晶 硅两种太阳能电池的特性。
N 势垒电场方向 P 空间电荷区
图1
半导体 P-N 结示意图
实验仪器
光源（碘钨灯）、电压源、电流表、太阳能电池、电 压/光强表、遮光罩、滑动支架、导轨、可变电阻箱等
光伏电池的主要性能参数有开路电压VOC、短路 电流ISC、最大输出功率Pmax、填充因子F.F、能量转换 效率ηs(%)等。
1. 开路电压open-circuit voltage ( VOC )：太阳能电池处于开路 状态时两端电压，即负载断开时测得的最大电压 2. 短路电流short-circuit current (ISC)：太阳电池处于短路状态 时流过的电流，即负载电阻为零时测得的最大电流。
2. 测试电池的开路电压与短路电流
注意：1.打开光源开关，预热5分钟； 2.打开遮光罩，将光强探头装在太阳能电池板位置，测试仪设为“光强测 量”； 3.将光探头换为多晶硅或非晶硅时，需要把测试仪设置为“电压表”状态
表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系
3. 测试电池的输出特性 （改变负载）
实验内容及步骤
1. 太阳能电池的暗伏安特性测量
伏安特性测量接线原理图
注意：1.打开光源，用遮光罩罩住太阳能电池； 2.注意电路的连接；将“电压输出”接口的两根线互换，即加上反向电压； 3.电流表量程建议为200mA ，表1仅需测量电压为-7-3V时多晶硅和非晶硅的电流。
表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量