太阳能电池伏安特性
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。
山东大学实验一 太阳能电池实验器实验-太阳能电池伏安特性测试实验-实验报告
太阳能利用技术综合实验报告
【实验题目】实验一太阳能电池伏安特性测试实验
班级姓名学号
上课日期2023年月日教室千佛山校区热力楼（）任课教师签字：最终成绩：
【实验目的】
1.掌握太阳能电池的光电转换原理及应用
2.测量太阳能电池的开路电压和短路电流
3.测量太阳能电池的伏安特性曲线并计算太阳能电池效率
【实验原理】
1.简述太阳能电池的工作原理。
2.什么是太阳能电池的开路电压、短路电流和转换效率？
【实验仪器】GES-100太阳能电池实验器。
2.2 电池板串联开路电压和短路电流。
辐照度W/m2。
太阳能电池
SC1 串联太阳能电池
SC1+SC2
串联太阳能电池
SC1+SC2+SC3
串联太阳能电池
SC1+SC2+SC3+SC4
开路电压
[mV]
短路电流
[mA]
2.3 电池板并联开路电压和短路电流。
辐照度W/m2。
太阳能电池
SC1 并联太阳能电池
SC1+SC2
并联太阳能电池
SC1+SC2+SC3
并联太阳能电池
SC1+SC2+SC3+SC4
开路电压
[mV]
短路电流
[mA]
3.太阳能电池伏安特性曲线及太阳能电池效率
3.1 电流-电压-功率测量
电流
[mA]
Min Max 电压
[mV]
功率
[mW]
3.2绘制伏安特性曲线
（示例图）。
实验17太阳能电池伏安特性的测量
实验 17太阳能电池伏安特性的测量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半导体器件。
它是太阳能发电系统的心脏。
它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无噪音、无污染等优点。
太阳能电池已作为空间探索的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备，气象台站，航标灯的重要电源。
目前，太阳电池已广泛用于收音机、计算机、交通信号等方面。
在发达国家太阳能光伏发电已进入城市电网。
太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要能源，在世界能源构成中占有一定的地位。
实验目的1.了解太阳能电池的工作原理及基本结构。
2.测量太阳能电池的伏安特性曲线。
实验原理1.太阳能电池的结构硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR 和 2CR 型。
图 1 为 2DR 型结构示意图。
它是以 P 型硅为衬底（厚约 500μ m），在其上面用扩散法制作一层厚约0.3μ m 的 N 型层，并将它作为受光面。
在N 型层上制作金属栅线，作为输出电极，目的是减小光电池的内阻。
在整个背面制作金属膜背电极。
在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮，防尘等保护作用，又可以减小硅光电池表面对入射光的反射，增强对入射光的吸收。
2CR 型电池图 1硅太阳能电池结构示意图则是以 N 型硅为衬底制作的。
2.PN 结的内建电场在 P 型（或 N 型）半导体衬底上，用扩散方法形成一层 N 型(或 P 型）层。
在 P区（空穴导电）和 N 区（电子导电）交界处，由于两边电子和空穴浓度不同，P 区的空穴向 N 区扩散， N 区的电子向 P 区扩散。
于是，在P 区形成负电层， N 区形成正电层，如图 2 所示。
这两个带电层形成图 2 载流子扩散形成内电场一个内电场，它反过来又阻挡上述扩散，直到扩散作用与阻挡作用达到一种动态平衡。
一般所说PN 结就是指这层阻挡层。
如果在 PN 结两端外加正向电压（P 区接正， N 区接负），如图 3（ a）所示。
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
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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。
太阳能电池伏安特性(课堂PPT)
1
➢太阳能电池的工作原理 ➢理想太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线 ➢实际太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线 ➢太阳能电池伏安特性测试和影响 因素
2
太阳能电池的工作原理
当太阳光照射到太阳能电池上并被吸收时，其中能量大于 电池吸收材料禁带宽度Eg的光子把价带中电子激发到导带 上去，形成导带电子，价带中留下带正电的空穴，即电 子——空穴对，通常称它们为光生载流子。导带电子和 价带空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区，被 该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一侧，空穴 被扫到电池的p型一侧,从而在电池上下两面（两极）分别 形成了正负电荷积累，产生“光生电压”。如果在电池的 两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经 过负载，这就是太阳能电池的基本工作原理。
1）最大输出功率
Pm JmVm
2）填充因子 FF Pm JmVm JscVoc JscVoc
3）光电转换效率
（ %） P PimnJP mV inm，Pin表示入射到太 上阳 的能 辐
材料的禁带宽度直接影响到光能转换为电能的效率，理想 的情况是用Eg值介于1.2~1.6eV的材料制作成太阳能电池， GaAs和CdTe是带隙较为理想的材料
9
实际太阳能电池的等效电路
对于实际的太阳能电池器件，太阳能电池各层材料、 前表面和背表面电极接触及引线接触等都会引入了 附加电阻，在等效电路中，可将其总效果用串联电 阻Rs来表示。 此外，由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时， 在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等， 使一部分本应通过负载的电流短路，这种影响可用 并联电阻Rsh来等效。
13
太阳能电池伏安特性影响因素
（1）辐照度影响
太阳电池伏安特性曲线的体会
太阳电池伏安特性曲线的体会
今天学习了太阳电池伏安特性曲线，体会颇多。
首先我明白了太阳电池伏安特性曲线为什么前段曲线会抬头，以及后端会下降。
解释这个问题应该先看一下太阳能电池伏安测试里面的参数设置，在测试太阳电池的时候，通常是从开路电压扫到短路电流或者从短路电流扫到开路电压，理想太阳能电池符合伏安特性，可用公式表示，填充因子越高，那么伏安图就越接近于一个矩形。
第一条曲线出现了明显的上扬，这肯定是不符合常理的，可以认为是一块不理想的电池，当然要说哪里出了问题这个还得具体问题具体分析，测试的时候接触不好，电池本身性能的问题等等。
然后我了解到，填充因子和电压为什么会小。
首先填充因子，可以基本确定太阳电池的质量越差，填充因子越低，质量差的话和各种因素有关，对最大电压电流有影响的因素最重都会导致伏安特性的降低。
电压低的话也是和你电池质量相关，比如在钙钛矿太阳能电池里面、表面覆盖度低或者结晶性太差都有可能导致电压的降低。
太阳电池伏安特性曲线真的是很奇妙。
太阳能电池的暗伏安特性与光谱特性实验
四、太阳能光伏电池暗伏安特性与光谱特性实验1.实验目的1.了解太阳能光伏电池暗伏安特性2.了解太阳能光伏电池光谱特性3.掌握太阳能光伏电池的暗伏安特性曲线绘制2.实验原理（1）光伏电池暗伏安特性光伏电池暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。
太阳能电池的基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。
在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。
为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。
因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。
（2）光伏电池光谱特性太阳能电池的光谱特性是指太阳能电池随能量相同但波长不同的入射光而变化的关系。
在太阳能电池中只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时在光伏材料中产生电子空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子空穴对（它们只能是使光伏材料变热）。
光伏材料对光的吸收存在一个截止波长。
理论分析表明，对太阳光而言，能得到最佳工作性能的光伏材料应有1.5电子伏的禁带宽度，当禁带宽度增加时，被光伏材料吸收的总太阳能就会越来越少。
每种太阳能电池对太阳光都有自己的光谱响应曲线，它表明太阳能电池对不同波长光的灵敏度（光电转换能力）。
当日光照到太阳能电池上时，某一种波长的光和该波长的太阳能电池光谱灵敏度，决定该波长的光电流值，而总的光电流值是各个波长光电流值的总和。
3.实验内容与步骤（1）光伏电池暗伏安特性曲线绘制1）关闭模拟光源，将挡光板遮住电池组件A，调节直流恒压源电压到零点，用实验导线连结如图2-1所示电路，调节电阻箱的电阻至50欧姆（限流），旋转恒压源电压旋钮，间隔0.5V左右，记录一次电压、电流值。
图2-1光伏电池暗伏安特性正向测量电路2）将直流恒压源电压调到零，调换电池组件A的正负极，再间隔0.5V左右，记录电压、电流值。
太阳能电池伏安特性研究实验报告
太阳能电池伏安特性研究实验报告太阳能电池伏安特性研究实验报告一、引言太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的装置，其工作原理基于光电效应。
随着全球对可再生能源的需求不断增加，太阳能电池作为一种环保、可再生的能源技术备受关注。
本实验旨在研究太阳能电池的伏安特性，以了解其工作原理和性能。
二、实验方法1. 实验仪器和材料本实验使用的仪器和材料包括太阳能电池板、直流电源、电压表、电流表和电阻箱等。
2. 实验步骤（1）将太阳能电池板与直流电源连接，调节电压为一定值。
（2）通过电压表和电流表测量太阳能电池板的电压和电流。
（3）改变直流电源的电压，重复步骤（2），记录数据。
（4）根据测量的电压和电流数据绘制伏安特性曲线。
三、实验结果与讨论通过实验测量得到的伏安特性曲线如下图所示：[插入伏安特性曲线图]从伏安特性曲线中可以观察到以下几点：1. 开路电压（Voc）：在伏安特性曲线上，当电流为零时对应的电压即为开路电压。
实验结果显示，太阳能电池板的开路电压约为0.6V。
2. 短路电流（Isc）：在伏安特性曲线上，当电压为零时对应的电流即为短路电流。
实验结果显示，太阳能电池板的短路电流约为3A。
3. 峰值功率点：伏安特性曲线上的峰值功率点是太阳能电池的最佳工作点，对应的电压和电流分别为Vm和Im。
实验结果显示，太阳能电池板的峰值功率点约为2W。
通过对伏安特性曲线的分析，可以得出以下结论：1. 太阳能电池板的输出功率与其电压和电流的乘积有关，即P = V * I。
为了获得最大的输出功率，需要在峰值功率点（Vm，Im）工作。
2. 开路电压和短路电流是太阳能电池板的基本特性参数，可以用来评估其性能。
3. 太阳能电池板的伏安特性曲线可以用来描述其输出功率随电压和电流变化的关系，为优化太阳能电池的设计和使用提供了依据。
四、结论本实验通过测量太阳能电池板的伏安特性曲线，研究了其基本特性和工作原理。
实验结果显示，太阳能电池板的开路电压约为0.6V，短路电流约为3A，峰值功率点约为2W。
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➢太阳能电池的工作原理 ➢理想太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线
➢实际太阳能电池等效电路图和伏 安特性曲线
➢太阳能电池伏安特性测试和影响 因素
太阳能电池的工作原理
当太阳光照射到太阳能电池上并被吸收时，其中能量大于 电池吸收材料禁带宽度Eg的光子把价带中电子激发到导带 上去，形成导带电子，价带中留下带正电的空穴，即电 子——空穴对，通常称它们为光生载流子。导带电子和价 带空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区，被该 区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一侧，空穴被 扫到电池的p型一侧,从而在电池上下两面（两极）分别形 成了正负电荷积累，产生“光生电压”。如果在电池的两 端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过 负载，这就是太阳能电池的基本工作原理。
理想太阳能电池的伏安特性方程
qV
J Jsc Jdark Jsc J 0(e kBT 1)
J0
qDh ni2 Lh Nd
qDe ni2 Le Na
太阳能电池
1）短路状态
当R 0时，即太阳能电池处于短路情况下，
此时V 0，J J sc
2）断路状态
当R 时，即太阳能电池出于断路情况下，此时J 0
J sh
Vsh SRsh
J (V ) J sc J dark J sh
Vsh V SJRs
实际太阳能电池的伏安特性曲线
J (V )
J sc
q[V SJ (V ) RS ]
J 0{e kBTa
V 1}
SJ (V )Rs SRsh
串联电阻Rs和并联电阻Rsh对太阳电池J-V曲线的影响
pn结两端的电压即为开路
电压Voc，Voc
kBT q
ln(1
J sc J0
)
3）外接负载，正常工作状态
理想太阳能电池伏安特性曲线
太阳能电池电流与太阳能电池面积S密切相关，即I=J·S
通常用电流密度 J (mA / cm2 )取代电流 I
最佳工作点(最大输出功率）
描述太阳能电池的重要参数
1）最大输出功率
pn结基本结构
理想太阳能电池的等效电路图
在持续光照条件下，太 阳能电池可看成一恒流 源；黑暗条件下，太阳 能电池是一普通的二极 管，具有整流特性（单 向导电性），可得到理 想太阳能电池的等效电 路图。等效电路中恒流 源与单向导通的二极管
并联，光生电流Jsc分流
到二极管上的电流即为
Jdark,对外输出电流为J
3）在标准测试条件下测试，即大气质量AM1.5,太阳辐照度 1000W/m^2，环境温度为300K
太阳能电池伏安特性影响因素
（1）辐照度影响
不同辐照强度太阳电池的J-V曲线
（2）温度的影响
太阳能电池的效率随温度的升高而下降，主要原因是电池的开 路电压随温度的升高而下降，电池的短路电流对温度不敏感， 且随温度升高略有上升
太阳能电池伏安特性测试
太阳能电池伏安特性测试原理：选取合适的太阳模拟器（模拟 光源）作为测试电池的光源。选取阻值可变的负载电阻，通过 改变负载R的阻值，同时用两个独立的测试线路分别测量光照条 件下太阳能电池的输出电压V和输出电流I，得到太阳能电池的IV特性曲线，从曲线上可以得到太阳能电池的开路电压、短路电 流、填充因子和转换效率等特征参数。 1）要求参考电池和待测电池由同种半导体材料组成，具有相似 的结构和生产工艺 2）要求模拟光源的光谱成分接近标准光源的光谱成分，模拟光 源必须能在测试平面上射出强度均匀的平行光束，在测试过程中 稳定
Pm J mVm
2）填充因子
FF Pm J mVm
J V sc oc
J V sc oc
3）光电转换效率
（%）
Pm Pin
J
mVm Pin
，Pin
表示入射到太阳能电池
上的辐照度
材料的禁带宽度直接影响到光能转换为电能的效率，理想
的情况是用Eg值介于1.2~1.6eV的材料制作成太阳能电池，
GaAs和CdTe是带隙较为理想的材料
实际太阳能电池的等效电路
对于实际的太阳能电池器件，太阳能电池各层材料、 前表面和背表面电极接触及引线接触等都会引入了 附加电阻，在等效电路中，可将其总效果用串联电 阻Rs来表示。 此外，由于电池边沿的漏电和制作属化电极时， 在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等， 使一部分本应通过负载的电流短路，这种影响可用 并联电阻Rsh来等效。