太阳能电池特性测试实验报告

太阳电池特性测试实验

太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。利用太阳能发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光—电转换的基本装置就是太阳电池。

太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中，硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高，直接影响了实际应用。

太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前，中国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

一、 实验目的

1． 熟悉太阳电池的工作原理； 2． 太阳电池光电特性测量。

二、 实验原理

（1） 太阳电池板结构

以硅太阳电池为例：结构示意图如图1。硅太阳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，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 （2） 光伏效应

当光照射到半导体PN 结上时，半导体PN 结吸

收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N

结耗尽区存在着较强的

图1 太阳能电池板结构示意图

内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就是P-N 结的光生伏特效应。 （3） 太阳电池的特性参数

太阳电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳电池板时，太阳电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为

)1(0-=nKT

qV e

I I (1)

是二极管的反向饱和电流，称为理想系数，是表示PN 结特性的参数，通常为1。

是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令nKT

q =β）

当太阳电池短路时，我们可以得到短路电流为I SC ，当太阳电池开路时，我们可以得到开路电压为U OC 。

当太阳电池接上负载R 时，所得到的负载U-I 特性曲线如（图二）所示，负载R 可从零至无穷大，当负载为Rm 时，太阳电池的输出功率最大，它对应的最大功率为P m ：

Pm=Im ×Um (2)

上式中I m 和U m 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将V oc 与I sc 的乘积与最大输出功率P m 之比定义为填充因子FF ：

SC OC m

m SC OC m I U I

U I U P FF ==

(3)

FF 为太阳电池的重要特性参数，FF 越大则输出功率越高。FF 取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能P in 之比，即

%100⨯=

in

m

P P η (4)

图2 太阳电池的伏—安特性曲线

U I 0

I n K q

T

三、 实验仪器及用具

THQTN-1型 太阳电池特性测试实验仪。

四、 实验内容与步骤

（1）测量太阳电池无光照时的伏安特性（直流偏压从0~2V ）

连接测量电路如图3所示：

图3

利用测得的正向偏压时I —U 关系数据，画出I —U 曲线。

（2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳电池特性(4片串联负载特性更明显)。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳电池距离不能太近，可选择为35cm 之后。

图4

（a ）测量短路电流

、开路电压

和入射光强J 。

（b ）测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。 （c ）求太阳电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。 （d ）计算填充因子：SC

OC m

I U P FF =

（e ）计算转换效率：%100⨯=in

m

P P η （3）电池的串联和并联

电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。 数据处理

光功率P in 为单位面积的入射光强J ×太阳电池有效面积； 本实验仪所用太阳电池单片有效面积为2060mm 2； 表格自拟。

SC

I OC

U I U U I

-

五、数据记录与分析

一、测量太阳电池无光照时伏安特性

由上述数据绘出如下伏安特性曲线：

可见太阳电池的伏安特性曲线曲线并不是线性的。猜测太阳电池的等效内阻应该是随着电流——而非电压——的升高而显著增大。

二、在白炽灯照射下测量太阳电池特性

选取4号电池。测得短路电流为2.20mA ，开路电压为9.18V 。当时光照强度为1.02mW/cm 2。实验数据如下：

U/V I/A U/V I/A

9.18 0 4.74 1.5 7.6 0.8 4.53 1.55 7.48 0.85 4.24 1.6 7.33 0.9 4.04 1.65 7.18 0.95 3.58 1.7 6.93 1 3.2 1.75 6.82 1.05 3.06 1.8 6.59 1.1 2.8 1.85 6.35 1.15 2.59 1.9 6.12 1.2 2.13 1.95 6.04 1.25 1.85 2 5.84 1.3 1.26 2.05 5.62 1.35 0.86 2.1 5.38 1.4 0.44 2.15 5.13 1.45 0.02 2.2

由图线可以看出实验结果并不理想，电池的伏安特性曲线过于接近线性。 由上述数据推出电池的功率随电压变化特性数据并绘出曲线如下：

2.5

10

U/V

I/mA