太阳能电池基本特性的测量(讲义)要点.pdf

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1、太阳能电池基本特性的测量 太阳能的利用和太阳能电池特性研究是 21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太 阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：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。本实验的目的主要是探讨太 阳能电池的基本特性，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。 【实验目的】 1 在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏 安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。 2 测量太阳能电池在光照时的输出

2、伏安特性，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短 路 电 流 ( SC I) 、 开 路 电 压 ( OC U) 、 最 大 输 出 功 率 m P及 填 充 因 子FF， )UI/(PFF OCSCm 。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。 3 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流 SC I和相对光强度 0 J/J之间关系， 画出 SC I 与相对光强 0 J/J之间的关系图；测量开路电压 OC U和相对光强度 0 J/J之间的关系， 画出 OC U与相对光强 0 J/J之间的关系图。 【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

3、电流I的关系式为： )1e(II U o (1) (1) 式中， o I和是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为 VC EE的半导体构成，如图1 所示。 C E为 1 半导体导电带， V E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。 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 sh R与一个电阻 s R所组成，如图2所示。 图2中， ph I为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流， d I为光照时通过太阳能电 池内部二极管的电流。由基尔霍

4、夫定律得： 0R) III (UIR shdphs （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， d sh ph sh s I R U I) R R 1( I（3） 假定 sh R和0Rs， 太阳能电池可简化 为图3所示电路。 这里，) 1e(IIIII U 0phdph 。 在短路时，0U， scph II； 而在开路时， 0I ，0)1e(II oc U 0sc ； 1 I I ln 1 U 0 sc OC（ 4） （ 4）式即为在 Sh R和0RS的情况下，太阳能电池的开路电压 OC U和短路电流 2 SC I的关系式。其中 OC U为开路电压， SC

5、 I为短路电流，而 0 I、是常数。 【实验装置】 光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1 只（用户自备） 、 电阻箱 1 只（用户自备） 、白炽灯光源1 只（射灯结构，功率W40） 、光功率计（带V3直 流稳压电源） 、导线若干、遮光罩1 个、单刀双掷开关1 个。 【实验内容】 1在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的UI特性（直流偏 压从 0-3.0V ） （1）画出测量实验线路图。 （2）利用测得的正向偏压时UI关系数据，画出UI曲线并求得常数和 0 I的值。 2在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能 电池距离保

6、持为cm20。 （1）画出测量实验线路图。 （2）测量太阳能电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出UI曲线图。 （3）用 外推法 求短路电流 SC I和开路电压 OC U。 （4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 （5）计算填充因子)UI/(PFF OCSCm 。 3测量太阳能电池的光照特性： 在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源cm20水平距离光强作为标准光照强度， 用光功率计测量该处的光照强度 0J ；改变太阳能电池到光源的距离x, 用光功率计测量x 3 处的光照强度J，求光强 J 与位置x的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度 0 J/J不同 值时，相应的 S

7、C I和 OC U的值。 （1）描绘 SC I和相对光强度 0 J/J之间的关系曲线，求 SC I和与相对光强 0 J/J之间近似关 系函数。 （2）描绘出 OC U和相对光强度 0 J/J之间的关系曲线， 求 OC U与相对光强度 0 J/J之间近 似函数关系。 【实验数据表格】 1在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的 输出电压U。测量电路如图5 所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳 能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1 所示： 表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录 项目 次数 )k(R)(VU)(mVU

8、R )A( I Iln 1 2 3 4 5 6 7 8 4 若用户备有 V0.30 直流可调电源， 则可采用图6 实验线路：正向偏压在 V0 .30 变 化条件下，用1000R固定电阻取代电阻箱（但电阻值必须准确，否则计算电流值时 将有较大的误差，把测量结果记录到表2 中 。 表 2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录 )V(U1 )mV(U2 )A( I 由1e I IU 0 ，当U较大时，1e U ，即 0 IlnUIln，通过线性关系求出: , 0 I 的值。 2. 不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离cm20，测量太阳能电 池的输出 I对太阳能电池的输

9、出电压U的关系，测量电路请自拟 。 把测量结果记录到表 3。 表3恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录 )(R)V(U1 )mA( I)mW(P)(R)V(U 1 )mA( I)mW(P 200 4400 300 4600 400 4800 600 5000 800 5500 1000 6000 1200 6500 5 1400 7000 1600 7500 1800 8000 2000 8500 2200 9000 2400 10000 2600 20000 2800 30000 3000 40000 3200 50000 3400 60000 3600 70000 3800 8

10、0000 4000 90000 4200 3测量太阳能电池 SC I和 OC U与相对光强 0 J/J的关系，用光强计测定不同光源距离时的 光强值。短路电流可以直接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流 电压档量出。把测量结果记录到表4 中： 表 4 太阳能电池 SC I和 OC U与相对光强 0 J/J的关系 光源距离 )mm(x )mW(J0J/J)mA(ISC )V(U OC 15 20 23 25 27 29 30 31 32 33 34 6 35 【实验数据范例】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考） 表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记

11、录 )k(R)V(U 1 )mV(U 2 )A( I Iln 42.61 2.51 0.49 11.50 2.44 30.15 2.59 0.41 13.60 2.61 21.60 2.65 0.35 16.20 2.79 13.57 2.73 0.27 19.90 2.99 8.94 2.79 0.21 23.50 3.16 5.45 2.85 0.15 27.50 3.31 2.04 2.93 0.07 34.30 3.54 0.00 3.00 0.00 40.80 3.71 7 1 V6361.2，mA102.15I 6 0 ，相关系数9996. 0r，电流与电压的指数关系得 到验证。

12、表 2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录 )V(U1 0.400 1.498 2.034 2.286 2.410 2.488 )mV(U2 0.01 0.39 1.40 2.53 3.46 4.16 )A( I0.010.39 1.40 2.53 3.46 4.16 )V(U12.601 2.654 2.727 2.787 2.853 2.928 )mV(U 2 5.46 6.21 7.49 8.79 10.41 12.76 )A( I 5.46 6.21 7.49 8.79 10.41 12.76 由1e I IU 0 ，当U较大时，1e U ，即 0 IlnUIln由最小二

13、乘法，将表2 中最后 6 点数据处理得以下结果： 1 V60.2，mA1028.6I 6 0 , 相关系数9998. 0r。 8 表3恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录 )(R)V(U1 )mA( I)mW(P)(R)V(U 1 )mA( I)mW(P 200 0.225 1.1250 0.2531 4400 3.46 0.7864 2.7208 300 0.341 1.1367 0.3876 4600 3.49 0.7587 2.6479 400 0.457 1.1425 0.5221 4800 3.51 0.7313 2.5667 600 0.683 1.1383 0.7775

14、 5000 3.53 0.7060 2.4922 800 0.911 1.1388 1.0374 5500 3.58 0.6509 2.3303 1000 1.138 1.1380 1.2950 6000 3.62 0.6033 2.1841 1200 1.364 1.1367 1.5504 6500 3.64 0.5601 2.0384 1400 1.591 1.1364 1.8081 7000 3.67 0.5243 1.9241 1600 1.817 1.1356 2.0634 7500 3.69 0.4921 1.8155 1800 2.05 1.1389 2.3347 8000 3.

15、71 0.4638 1.7205 2000 2.27 1.1350 2.5765 8500 3.72 0.4376 1.6280 2200 2.49 1.1318 2.8182 9000 3.73 0.4144 1.5459 2400 2.69 1.1208 3.0150 10000 3.76 0.3761 1.4138 2600 2.87 1.1038 3.1680 20000 3.85 0.1925 0.7411 2800 3.01 1.0750 3.2358 30000 3.88 0.1293 0.5018 3000 3.11 1.0367 3.2240 40000 3.9 0.0975

16、 0.3803 3200 3.19 0.9969 3.1800 50000 3.91 0.0782 0.3058 3400 3.26 0.9588 3.1258 60000 3.92 0.0653 0.2561 3600 3.32 0.9222 3.0618 70000 3.93 0.0561 0.2206 3800 3.36 0.8842 2.9709 80000 3.94 0.0493 0.1940 4000 3.41 0.8511 2.8910 90000 3.94 0.0438 0.1725 4200 3.43 0.8167 2.8012 9 表 4 太阳能电池 SC I和 OC U与

17、相对光强 0 J/J的关系 光源距离 )mm(x )mW(J 0 J/J)mA(I SC )V(U OC 15 1.679 1.00 1.43 3.91 20 1.460 0.86957 1.28 3.89 23 1.264 0.75283 1.14 3.86 25 1.105 0.65813 1.03 3.83 27 0.960 0.57177 0.93 3.81 29 0.850 0.50625 0.84 3.79 30 0.750 0.44669 0.77 3.77 31 0.611 0.36391 0.65 3.73 32 0.500 0.29779 0.56 3.68 33 0.41

18、8 0.24896 0.49 3.65 34 0.332 0.19774 0.41 3.59 35 0.237 0.14116 0.32 3.51 10 从图 10 和图 11 中找出 SC I及 OC U与相对光强 0 J/J的近似函数关系为： )J/J(AI 0sc (5) C)J/J(BInU 0oc (6) 利 用 最 小 二 乘 法 拟 合 ， 得1722.0)J/J(2855.1I 0SC ， 相 关 系 数9985.0r； 9207.3)J/J(In2013.0U 0oc ，相关系数9973.0r。从最小二乘法拟合中，可知对 短路电流 SC I和开路电压 OC U关系式（ 5）式

19、和（ 6）式成立。 11 FB736型太阳能电池特性实验仪使用说明书 一概述： 能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已 成为世人关注的全球性问题。为了经济持续发展及环境保护，人们正大量开发其它能源如 水能、风能及太阳能的利用。其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前 景。本仪器提供的实验，意在提高学生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池 的基本光电特性，学会电学与光学的一些重要实验方法及数据处理方法。可用本仪器做下 列实验： 1在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管），测量在正向偏压时该二 极器件的伏安特性曲线，并求出其正向

20、偏压时，电压与电流关系的经验公式。 2测量太阳能电池的短路电流 SC I、开路电压 OC U、最大输出功率 m P及填充因子 FF)UI/(PFF OCSCm 。 3测量太阳能电池的短路电流 SC I、开路电压 OC U与相对光强 0 J/J的关系，求出它们的 近似函数关系。 本仪器可用于高校基础物理实验及设计性、研究性的物理实验，也可用于中学生物理 奥林匹克竞赛培训等使用。 二仪器简介： 本实验仪器主要由射灯形白炽灯光源（ W40 ） 、光具座、带暗盒的太阳能电池、光功 率计（带V3直流稳压电源） 、电阻箱 1 只（自备）、数字式万用电表1 只（自备）、导线若 12 干等组成： 三技术指标： 1式导轨光具座1个：铝合金材料，表面电泳处理，标尺长cm0.50，分度值mm1。 2滑块支架2 个：铝合金材料，表面电泳处理。 3光源：功率W40射灯形结构。 4暗盒内装太阳能电池及正负引出线, 遮光板 1 块( 暗盒中使用 ) 。 5带探测器三位半数字式光功率计，量程为mW20&W2000二档。 6遮光罩1 个，可在明室完成暗室实验操作。 7手电筒1 个。 8. 单刀双掷开关1个。