太阳电池伏安特性的测量.ppt

太阳电池 伏-安特性的测量,宁夏大学基础物理实验中心,2,序言部分,3,太阳电池（Solar Cells）,也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统。,4,太阳电池的发展历程,几千年来人类无意识地利用太阳能来取暖和晾晒物品，直到19世纪末才出现了第一台太阳能热水器，而第一片太阳电池的出现则是在1954年 其发展过程简列如下： 1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。 1930年 肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。,5,1941年 奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1958年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。,6,1975年 非晶硅太阳电池问世。 1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。 自50年代研制成第一块实用的硅太阳电池、60年代太阳电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个世纪。发展到今天，世界太阳电池组件的年产量达200MW以上。,7,太阳电池的应用,8,屋顶太阳能发电并网系统,9,太阳能交通指示系统,10,太阳电池庭院灯,11,太阳电池玩具,12,太阳电池鱼缸,13,太阳电池厕所（徐家汇太平洋百货店前）,14,韩国的风力发电和太阳能发电互补系统,15,将来的太阳能车,16,太阳能建材一体化零能住宅,17,实验部分,18,实验目的,了解太阳电池的工作原理及其应用； 测量太阳电池的伏安特性曲线。,19,实验原理,太阳光发电的优点 太阳电池的发电原理 太阳电池的种类和特征 太阳电池的结构 光伏效应 太阳电池的表征参数 太阳电池的等效电路,20,太阳光的发电的优点,不需要燃料取之不尽用之不竭的太阳光就是能源。 清洁能源不会排放NOx、CO2等有害物质。 不需要烦琐的操作系统运行全靠自动进行。 系统简单维护方便整个发电系统没有运转部件，属 于静态发电因此维护简单方便。,21,太阳电池的发电原理,太阳电池是由电性质不同的N型半导体和P型半导体连接合成的。这二种半导体的界面称作PN结。 太阳光入射到太阳电池表面上后，被太阳电池吸收。此时，在太阳电池内部因吸收了光能而产生了带正电和负电的粒子（空穴和电子），这些粒子各自在太阳电池内部自由移动。而且它们绝大多数具有这样的性质，即电子（）朝N型半导体汇集，而空穴（）则朝P型半导体汇集。因此，在电池表面和背面焊上电极后，再接上灯泡或马达之类的负载，电流就会流起来。,22,太阳电池发电原理示意图,23,太阳电池的种类和特征,24,太阳电池的结构,25,成品太阳电池组件, 成品太阳电池组件正面外观,成品太阳电池组件正面外观 ,26,晶体硅太阳电池结构,27,晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作。一般采用n+/p 同质结的结构，即在约10 cm10 cm面积的p型硅片（厚度约500 m）上用扩散法制作出一层很薄（厚度0.3 m）的经过重参杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。,28,光伏效应,光伏效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV） ，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在 p区,n区和结区光子被吸收会产生电子空穴对。 那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在 p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。,29,这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。,P-N结,30,如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。,光照下光电流的产生动态图,31,太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph。同时,由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID ,此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此,实际获得的电流I为 (1),太阳电池的表征参数,32,式中VD 为结电压,I0为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流,其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的。其中n称为理想系数,是表示pn结特性的参数,通常在1-2之间。q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度。 如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为 （2）,33,当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD0），由（2）式可得到短路电流 （3） 即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。 当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（2）和（3）式可得到开路电压 （4）,34,当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图2所示。,35,负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为 （5） 式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。,36,将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则 （6） FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。,37,太阳电池的转换效率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Pin之比，即 （7）,38,太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示,如下图所示，该电路为太阳电池的等效电路。,太阳电池的等效电路,39,由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为 （8） 为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh。,40,实验仪器,太阳能光伏组件，由20块5 cm5 cm的太阳电池串联组成，功率为5瓦。 辐射光源，300瓦卤钨灯。 数字万用表，2个。 接线板，负载电阻。,41,实验仪器实物图（点击放大）,太阳能光伏组件，5瓦,辐射光源，300瓦卤钨灯,数字万用表，2个,接线板，负载电阻,42,太阳电池组件,43,卤钨灯,44,卤钨灯正面,45,卤钨灯侧面,46,万用表,47,接线板和负载电阻,48,实验内容,1将太阳能光伏组件，数字万用表，负载电阻通过接线板连接成回路，改变负载电阻R，测量流经负载的电流I和负载上的电压 V，即可得到该光伏组件的伏安特性曲线。测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，以保证整个测量过程是在相同光照强度下进行的。,49,2分别测量以下几种条件下光伏组件地伏-安特性曲线： （1）辐射光源与光伏组件的距离为60 cm； （2）辐射光源与光伏组件的距离为80 cm； （3）辐射光源与光伏组件的距离为80 cm，并且辐射光源转过一角度（如30度）； （4）辐射光源与光伏组件的距离为80 cm，将两组光伏组件串联； （5）辐射光源与光伏组件的距离为80 cm，将两组光伏组件并联。,50,3用坐标纸或计算机绘图软件画出不同条件下： （1）光伏组件的伏安特性曲线； （2）光伏组件