太阳能电池基本特性实验讲义

目前人类所消耗的能源的70％来自煤、石油、天然气等化石燃料，在现有技术条件下，化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害，使人类生存空间受到了极大的威胁。科学家预言，尽管化石燃料能源未来仍将占有相当大比重，但其一统天下的局面将逐渐结束（地球上２亿年形成的化石燃料，大体只够人类使用300余年），可再生的清洁能源可望撑起未来世界能源供给的半壁江山。

太阳能的利用和研究是21世纪新型能源开发的重点课题之一。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。目前硅太阳能电池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、“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。

一、实验目的

1、学习掌握硅光电池的工作原理。

2、学习掌握硅光电池的基本特性及其测试方法。

3、了解硅光电池的基本应用。

二、实验仪器

1.光功率计  2.测试仪  3.光源  4.光电二极管（用专用连接线与光功率计相连接）

5.样品架（用于放置光电二极管传感器，以及待测太阳能电池样品，含遮光罩）

6. 导轨  7.单晶硅样品    7.多晶硅样品

图1 太阳能电池特性测试仪

1、太阳能电池:单晶硅和多晶硅各1块：60×60mm2，有效面积50×45mm2，开路电压不低于4V，闭路电流不小于15mA；2、光功率计:三位半数显，量程200uw、2mw和20mW三档，数字按键档位切换；光功率计传感器采用高灵敏度光电二极管；3、精密电阻负载：0～99999.9Ω；4、测试仪:电压表：2.000V和20.00V两档；电流表：2.000mA和200.0mA两档；0-5V可调直流电源，带限流输出功能；5、光源功率：100W；6、导轨：长75cm；

三、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：

                 (1)

(1)式中，Ｉ为通过二极管的电流，和是常数，为反向饱和电流。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC－EV的半导体构成，如图2所示。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。

图2 半导体能隙结构示意图

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RSh与一个电阻RS所组成，如图3所示。

图3中，IPh为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，Id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：

　 　　(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，

　　  　　(3)

图4 太阳能电池简化模型

图3 太阳能电池理论模型

假定RSh=∞和RS=0，太阳能电池可简化为图4所示电路。这里，。在短路时，U＝0，；而在开路时，I＝0，；所以

　　　　　(4)

（4）式即为在RSh=∞和RS=0的情况下，太阳能电池的开路电压UOC和短路电流ISC的关系式。其中UOC为开路电压，ISC为短路电流，而、是常数。

当太阳能电池接上负载时，负载R从零变到无穷大的过程中，使太阳能电

池达到最大输出功率时，式中和分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将与和的乘积之比定义为填充因子，

          (5)

填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参,越大则输出功率越高。

四、实验内容与步骤

1、硅光电池伏安特性测量。

在没有光照（全暗，即用遮光罩罩住样品）的条件下，测量太阳能电池正

向偏压时的U－I特性（直流偏压从0～3.0V）。画出U-I曲线，求出和。

测量电路如图5所示，注意不要正负极性接错（D代表太阳能电池，R=1000Ω为负载电阻，ε为可调直流电压源）。正向偏压从0～3.0V条件下，测量结果记录在数据表格1中。

图5 太阳能电池伏安特性测量电路图

2、硅光电池负载特性测试。

在不加偏压时，用光源照射，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量电池在不同负载电阻下太阳能电池的输出I与输出电压U特性。测量结果记录在原始数据表格2中。

3、太阳能电池的光照效应与光电性质测量。

取太阳能电池与白光源水平距离20cm为起始位置，用光功率计测量该处的光功率P0，光强度为标准强度J0；改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量X处的光功率P，光强度为J，光的相对强度为J/ J0，也即P/P0，可以得到光功率P与位置X的关系。测量太阳能电池在不同光功率条件下对应应的ISC和UOC的值。测量结果记录在数据表格3中。

五、实验数据记录与处理

1.硅光电池伏安特性测量。画出U-I曲线，利用最小二乘法求出和。

表1　全暗情况下太阳能电池在外加偏压U1(V)时的伏安特性测量（R=1000Ω）

画出U－I曲线图,求出短路电流ISC和开路电压UOC；画出太阳能电池的输出功率P=U*I和电压U的关系，求出太阳能电池的最大输出功率Pmax及相应电压；计算填充因子。

表2　光照情况下太阳能电池在加负载时的伏安特性测量

表3　太阳能电池的光电特性测量数据