太陽能電池特性實驗實驗指導(dǎo)及操作說明書 中南大學(xué)物理實驗中心第4頁PAGE太陽能電池特性實驗本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。實驗內(nèi)容太陽能電池的暗伏安特性測量測量太陽能電池的開路電壓和光強之間的關(guān)系測量太陽能電池的短路電流和光強之間的關(guān)系太陽能電池的輸出特性測量實驗原理太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實線所示。負載電阻為零時測得的最大電流ISC稱為短路電流。 負載斷開時測得的最大電壓VOC稱為開路電壓。 太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負載電阻大小不一樣時，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為：（1）填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.75~0.8之間。轉(zhuǎn)換效率ηs定義為：（2）Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實驗表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時只略微增加，如圖3所示。硅太陽能電池分為單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率可達到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但單晶硅價格高，大幅度降低其成本很困難。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。實驗儀器太陽能電池實驗裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。圖4太陽能電池實驗裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光強，具體數(shù)值由光強探頭測量。測試儀為實驗提供電源，同時可以測量并顯示電流、電壓、以及光強的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電壓/光強表：通過“測量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強輸入”接口的光強探頭測量到的光強數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光強量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測量并顯示0～200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。圖5太陽能電池特性實驗儀實驗內(nèi)容與步驟 1．硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個大面積平面P-N結(jié)，單個太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠大于普通的二極管。在實際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時的串并連關(guān)系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅,多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖6所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進電路起保護作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流。圖6伏安特性測量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。記錄到表1中。將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。表1三種太陽能電池的暗伏安特性測量以電壓作橫坐標(biāo)，電流作縱坐標(biāo)，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同。2．開路電壓，短路電流與光強關(guān)系測量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將光強探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測試儀的“光強輸入”接口上。測試儀設(shè)置為“光強測量”。由近及遠移動滑動支架，測量距光源一定距離的光強I，將測量到的光強記入表2。將光強探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖7A接線，按測量光強時的距離值（光強已知），記錄開路電壓值于表2中。按圖7B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復(fù)測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。表2三種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關(guān)系距離（㎝）10152025303540光強I（W/m2）單晶硅開路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）多晶硅開路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）非晶硅開路電壓VOC（V）短路電流ISC（mA）根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的開路電壓隨光強變化的關(guān)系曲線。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫出三種太陽能電池的短路電流隨光強變化的關(guān)系曲線。3．太陽能電池輸出特性實驗按圖8接線，以電阻箱作為太陽能電池負載。在一定光照強度下（將滑動支架固定在導(dǎo)軌上某一個位置），分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I,并計算輸出功率PO=V×I，填于表3中。表33種太陽能電池輸出特性實驗距離=30cmS=0.003m2光強I=W/m2單晶硅輸出電壓V(V)00.40.81.21.61.82.02.12.2……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)多晶硅輸出電壓V(V)00.40.81.21.61.82.02.12.2……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)非晶硅輸出電壓V(V)00.40.81.21.61.82.02.12.2……輸出電流I(A)輸出功率PO(W)根據(jù)表3數(shù)據(jù)作3種太陽能電池的輸出伏安特性曲線及功率曲線，并與圖2比較。找出最大功率點，對應(yīng)的電阻值即為最佳匹配負載。由（1）式計算填充因子。由（2）式計算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin=I×