1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告太陽(yáng)能電池伏安特性的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解太陽(yáng)能電池的工作原理及其應(yīng)用2. 測(cè)量太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線【實(shí)驗(yàn)原理】1太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)以晶體硅太陽(yáng)電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示晶體硅太陽(yáng)電池以硅半導(dǎo)體材料制成大面積pn 結(jié)進(jìn)行工作一般采用n+/p 同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，即在約10 cm×10 cm 面積的p 型硅片（厚度約500 m）上用擴(kuò)散法制作出一層很?。ê穸?.3 m）的經(jīng)過重?fù)诫s的n 型層然后在n 型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極在整個(gè)背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極這樣就形成了晶體硅太陽(yáng)電池為了減少光的反射損失，一般在整個(gè)表面上再覆蓋一層減反射膜圖一 太陽(yáng)

2、電池結(jié)構(gòu)示意圖2光伏效應(yīng)圖二 太陽(yáng)電池發(fā)電原理示意圖當(dāng)光照射在距太陽(yáng)電池表面很近的pn 結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg ，則在p區(qū)、n 區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)那些在結(jié)附近n 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散只要少數(shù)載流子離pn 結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處在p 區(qū)與n 區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由n區(qū)指向p 區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被拉向p 區(qū)同樣，如果在結(jié)附近p 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界

3、面處，也會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向n 區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向n 區(qū)和p 區(qū)如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn 結(jié)附近，使p 區(qū)獲得附加正電荷，n 區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在pn 結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect, 縮寫為PV）3太陽(yáng)電池的表征參數(shù)太陽(yáng)電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n 區(qū)到p 區(qū)的光生電流Iph同時(shí)，由于pn 結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p 區(qū)到n 區(qū)，與光生電流相反因此，實(shí)際獲得的電流I 為 （1）式中VD 為結(jié)電壓，I0 為二極管

4、的反向飽和電流，Iph 為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，其比例系數(shù)是由太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的n 稱為理想系數(shù)（n 值），是表示pn 結(jié)特性的參數(shù)，通常在12之間q 為電子電荷，kB 為波爾茨曼常數(shù)，T 為溫度如果忽略太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻Rs，VD 即為太陽(yáng)電池的端電壓V，則（1）式可寫為 （2）當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端短路時(shí)，V = 0（VD 0），由（2）式可得到短路電流 即太陽(yáng)電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端開路時(shí)，I = 0，由（2）和（3）式可得到開路電壓 （3）當(dāng)太陽(yáng)電池接上負(fù)載R 時(shí)，所得的負(fù)載伏安特性曲線如圖2 所示負(fù)載R 可以從零到無窮大當(dāng)

5、負(fù)載Rm 使太陽(yáng)電池的功率輸出為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率Pm 為（4）式中Im 和Vm 分別為最佳工作電流和最佳工作電壓將Voc 與Isc 的乘積與最大功率Pm 之比定義為填充因子FF，則 （5）FF 為太陽(yáng)電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F 愈大則輸出的功率愈高FF 取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率 定義為太陽(yáng)電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能Pin 之比，即（6） 圖三 太陽(yáng)電池的伏安特性曲線4太陽(yáng)電池的等效電路圖四 太陽(yáng)電池的等效電路圖太陽(yáng)電池可用pn 結(jié)二極管D、恒流源Iph、太陽(yáng)電池的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs 和相當(dāng)于pn 結(jié)泄漏電流的

6、并聯(lián)電阻Rsh 組成的電路來表示，如圖3 所示，該電路為太陽(yáng)電池的等效電路由等效電路圖可以得出太陽(yáng)電池兩端的電流和電壓的關(guān)系為 （7）為了使太陽(yáng)電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的各個(gè)條件下的電流、電壓以及對(duì)應(yīng)的功率的表格如下：60cm80cm80cm串聯(lián)80cm并聯(lián)電流電壓功率電流電壓功率電流電壓功率電流電壓功率10.53112.159.4109000.3062.718.810.70140.898.5621.49102.9153.30.4386.137.021.8760.7113.51.70132.5225.232.399

7、6.2229.91.4777.2113.43.3159.3196.32.67122.9328.143.2888.4289.92.4768.8169.94.7757.4273.83.76112.4422.654.2482.5349.82.9465.5192.66.3055.4349.04.73102.1482.964.7677.4368.43.5761.3218.87.7853.0412.35.4993.6513.975.3072.9386.44.1257.8238.19.3650.3470.85.9788.8530.185.5970.6394.74.7753.2253.810.846.2499

8、.06.2285.0528.795.8567.5394.95.2450.026211.9543.7522.26.5181.8532.5106.2763.9400.75.5148.2265.612.5742.1529.26.8779.1543.4116.5961.5405.35.6946.7265.713.1641.1540.97.1876.9552.1126.7860.2408.25.9045.2266.713.7040.0548.07.3574.9550.5136.9658.9410.06.0643.7264.814.2038.9552.47.4473.6547.6147.1157.7410

9、.26.4941.1266.715.0037.1556.57.5072.3542.2157.2656.5410.26.9038.0262.215.4335.9553.97.5970.7536.6167.3755.3407.67.5532.8248.215.8334.3543.07.9265.3517.2177.7652.3405.87.9128.8227.816.0433.4535.78.1160.6491.5188.1250.1406.88.1723.7193.616.4331.3514.38.3154.4452.1198.4844.6378.28.3818.0150.816.729.148

10、6.08.4350.0421.5208.6839.5342.98.5612.8109.616.8527.0455.08.5645.2386.9218.8334.8307.38.737.9068.9717.0125.2428.78.7039.9347.1229.0625.5231.08.990017.3222.7393.28.7934.9306.8239.2715.4142.817.5220.1352.28.8930.3269.4249.408.579.917.6817.3305.99.0222.3201.1259.680017.7616.1285.99.1514.7134.52618.6900

11、9.228.376.53279.3600282930表11. 根據(jù)以上數(shù)據(jù)作出各個(gè)條件下太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線2. 各個(gè)條件下，光伏組件的輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化【對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的現(xiàn)象或問題進(jìn)行分析、討論】各個(gè)條件下太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線圖的分析與討論 從圖中的曲線可以明顯看出：1. 光照距離越近，也即是光強(qiáng)越大，電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大（但不能斷定是否有上界）；2. 研究電動(dòng)勢(shì)的大小，兩個(gè)電池并聯(lián)，電動(dòng)勢(shì)幾乎不變，電池串聯(lián)，電動(dòng)勢(shì)大致增大一倍；3. 研究電池電阻的大小，在I-V圖里，函數(shù)線越陡，電阻越小，函數(shù)線越平坦，電阻越大。在圖中可以看出：串聯(lián)電池使得電池的總電阻倍增，而并聯(lián)使得電池的

12、總電阻減小；光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越?。ǖ珣?yīng)有下界），光照強(qiáng)度越大，電池的電阻越大。4. 研究電池的短路電流（這里以圖中的各個(gè)最大電流作為短路電流），電池的并聯(lián)使得短路電流增大，串聯(lián)使得短路電流減?。ㄟ@是由于內(nèi)阻串并聯(lián)的原因）；光照強(qiáng)度越大，短路電流越大，光照強(qiáng)度越小，短路電流越?。◤奶?yáng)能電池的原理可知：光照強(qiáng)度決定了光生電流的大小，從而決定了短路電流和電動(dòng)勢(shì)的大?。?。各個(gè)條件下輸出功率P隨負(fù)載電壓V的變化曲線圖的分析與討論 1. 雖然各個(gè)曲線不是特別平滑，但對(duì)于最大輸出功率的測(cè)量還是很成功的，因?yàn)樵诿織l曲線的最高點(diǎn)附近所測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)都足夠多，這樣對(duì)最大功率的估計(jì)的準(zhǔn)確度有很好的幫助。 2

13、. 研究個(gè)條件下的最大功率的大小，可以看出：雙電池供電（不論是串聯(lián)還是并聯(lián)）都會(huì)提高電池總輸出功率；光照強(qiáng)度越大，輸出功率也越大，光照強(qiáng)度越小，輸出功率也越小。 3. 研究達(dá)到最大功率時(shí)的電壓Um，從圖中可以看出：光照強(qiáng)度越大，Um也就越大，光照強(qiáng)度越小，Um相對(duì)偏??；電池并聯(lián)對(duì)Um的改變不大，而電池串聯(lián)會(huì)明顯加大Um（個(gè)人認(rèn)為這跟電池電阻在總電路中的比重有關(guān)）。各個(gè)量的統(tǒng)計(jì) Isc/mAUoc/VPm/mWIm/mAUm/vRm/歐FF60cm112.19.68410.257.77.11123.20.37880cm86.18.99266.745.25.90130.50.34580cm串聯(lián)62

14、.718.69556.537.115.0404.30.47580cm并聯(lián)140.89.36552.176.97.1893.40.419說明：1. 由于本組成員在做實(shí)驗(yàn)時(shí)的疏忽，并未直接測(cè)量各個(gè)條件下的短路電流，在這里以測(cè)量電壓最小時(shí)的電流作為短路電流；2. 由于這里的短路電流是測(cè)量電壓最小時(shí)的電流，所以由函數(shù)特性可知，真正的短路電流比這里的Isc要大，由此使得最終的FF值比理論值偏大；分析：1. 從測(cè)得的FF數(shù)據(jù)可以看出，太陽(yáng)能電池的填充因子并不大，這也使得太陽(yáng)能電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率比較低，所以提高FF是太陽(yáng)能電池研發(fā)的一個(gè)重要方向；2. 從Rm的比較可以看出，光照越強(qiáng)，則Rm偏小，但應(yīng)該有一個(gè)

15、下界，串聯(lián)使得Rm大大增大，而并聯(lián)使得Rm有所減??；3. 關(guān)于Pm和Um的比較已在前面做出了分析?！靖巾?yè)】1. 可以看出，我在實(shí)驗(yàn)原理的這一部分基本copy了網(wǎng)上的預(yù)習(xí)資料，此部分實(shí)際上并非自己的東西（對(duì)于其他同學(xué)也不是），于是我特意將實(shí)驗(yàn)原理的部分的字體縮小，以減小實(shí)驗(yàn)的篇幅，并將重點(diǎn)放在了原理后面的各個(gè)部分。2. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在本實(shí)驗(yàn)部分里并未設(shè)置思考題（其他的實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了），我覺得一個(gè)實(shí)驗(yàn)如果僅僅是做了而不去深入思考，那僅僅是練手而已，幾乎等于白做。所以在這里給出一些自己對(duì)該實(shí)驗(yàn)的一些思考。 在實(shí)際測(cè)量電流和電壓的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，如何把握在Pm附近點(diǎn)的測(cè)量？這是一個(gè)十分實(shí)際的問題，它直接關(guān)系到

16、最后Pm的值，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量得比較少（比如只有一兩個(gè)點(diǎn)），那么對(duì)Pm的估計(jì)會(huì)有很大的誤差；相反，如果在Pm附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)得比較多，使得P-U曲線的頂峰上有比較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么對(duì)Pm的估計(jì)是十分準(zhǔn)確的。于是，我們應(yīng)該在測(cè)量數(shù)據(jù)接近Pm點(diǎn)時(shí)意識(shí)到應(yīng)該在該區(qū)域加密數(shù)據(jù)的測(cè)量。 那么如何判斷Pm會(huì)出現(xiàn)在哪個(gè)區(qū)域呢？在正式測(cè)量開始之前先對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的幾個(gè)U、I點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由此可由二分逼近法得到一個(gè)Pm的大概區(qū)域，這個(gè)區(qū)域一般在1V到2V寬比較適合。接下來測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況縮小測(cè)量間隔，在該區(qū)域里多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，出了該區(qū)域之后再加寬測(cè)量間距。 關(guān)于萬用表示數(shù)顯示問題

17、該實(shí)驗(yàn)中的萬用表在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，最后以為總是跳躍不停，究其原因，我認(rèn)為不是萬用表自己的問題，而是太陽(yáng)能電池本身產(chǎn)生的電流不是絕對(duì)穩(wěn)定所造成的。對(duì)于不斷跳躍的尾數(shù)，老師建議的方法是：同時(shí)按下電流表和電壓表的hold鍵，記下對(duì)應(yīng)的兩個(gè)數(shù)?？梢灾溃f用表的尾數(shù)的跳躍范圍在3到5左右，也就是說瞬間前后的按下hold鍵所測(cè)得的數(shù)據(jù)可能相差了0.05V或0.5mA，所以在實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔至少應(yīng)該是0.1V或0.5mA，否則測(cè)量的數(shù)據(jù)是沒有意義的。其實(shí)實(shí)際上如果測(cè)量數(shù)據(jù)的間距真有如此小，那在Origin上的兩點(diǎn)也幾乎完全重合。【感想】 先來說說自己在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)的情況吧。我不敢說我做實(shí)驗(yàn)是不是有

18、一種什么狀態(tài)在影響我（想運(yùn)動(dòng)員的狀態(tài)起伏一樣），但今天的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)真的不是很好。自己到了實(shí)驗(yàn)室才發(fā)現(xiàn)自己精心做的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告丟在了寢室，不得不出去再打印一份。在老師講解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)細(xì)節(jié)時(shí)，我承認(rèn)自己也沒有專心聽講，雖然自己預(yù)習(xí)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是由于沒專心聽講，導(dǎo)致我們小組在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)不知所措。后來我們加快了進(jìn)度，并與對(duì)面的小組一起做了電池的串聯(lián)和并聯(lián)環(huán)節(jié)。最后為了得到最好的數(shù)據(jù)，我們小組又重做了60cm和80cm。但是我們忘記了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要的細(xì)節(jié)，就是Isc的直接測(cè)量。 對(duì)于這個(gè)疏忽，我想我應(yīng)該承擔(dān)責(zé)任。我敢說我在當(dāng)天是認(rèn)認(rèn)真真預(yù)習(xí)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的，不管是書還是網(wǎng)上的資料，我都認(rèn)真的學(xué)習(xí)過，對(duì)于Isc測(cè)量當(dāng)然也沒放過。但是在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，我就是忘記了Isc的直接測(cè)量法，我以為Isc就是函數(shù)線在I軸上的截距。這導(dǎo)致我的同組同學(xué)張家鵬和我一樣的錯(cuò)誤。 我甚至想到了要篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但我覺得應(yīng)該勇敢面對(duì)自己的錯(cuò)誤，勇于承認(rèn)，才能真正汲取教訓(xùn)，才能在以后的實(shí)驗(yàn)中不凡同樣的低級(jí)