太阳电池伏安特性的测量ppt课件.pptx

实验6 2太阳电池伏安特性的测量 1 研究背景太阳电池 SolarCells 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 太阳能是一种新能源 对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题 世界上第一块实用型半导体是美国贝尔实验室于1954年研制的 目前 太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面 利用太阳能发电目前有两种方法 一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电 二是太阳能电池 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21世纪的热门课题 许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究 为此 我们通过对太阳能电池的电学性质进行测量增进我们对太阳能电池的了解 具有非常重要 2 实验目的 1 了解太阳能电池的工作原理 2 无光照时 测量太阳能电池的伏安特性曲线 3 测量太阳能电池的I对U的变化关系 短路电流 开路电压 最大输出功率及填充因子 4 测量太阳能电池的短路电流 开路电压与相对光强的关系 求出它们的近似函数关系 3 一 晶体硅太阳电池结构 实验原理 4 二 光伏效应 太阳电池发电原理示意图 5 光伏效应 N型半导体和P型半导体接触形成PN结 PN结内存在从N区指向区的内建电场 PN结受光照后 半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子 空穴和电子 在内建电场作用下 电子 朝N型半导体汇集 而空穴 则朝P型半导体汇集 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 6 三 太阳电池的等效电路 太阳电池可用恒流源Iph pn结二极管D 相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh和太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs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 7 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 8 四 太阳电池的表征参数 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 理想状态下 pn结泄露电流不存在 即Rsh不存在因此 实际获得的电流I为 式中VD为结电压 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 即 9 当太阳电池的输出端短路时 V 0 VD 0 由公式得短路电流 当太阳电池的输出端开路时 I 0 得开路电压 10 太阳电池的伏安特性曲线 当太阳电池接上负载R时 所得的负载伏 安特性曲线如图所示 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为式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压 11 太阳电池的表征参数 填充因子FF将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF 则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 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 12 实验用仪器及材料 光具座 滑块 白炽灯 太阳能电池 光功率计 遮光罩 电压表 电流表 电阻箱 13 实验方法 利用控制变量法做实验 用最小二乘法来对实验数据进行处理 14 实验内容 1 在没有光源 全黑 的条件下 测量太阳能电池正向偏压时的I U特性 直流偏压从0 3 0V a 画出测量线路图 b 利用测得的正向偏压时I U关系数据 画出I U曲线并求得常数 和I0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持为20cm a 画出测量线路图 b 测量电池在不同负载电阻下 I对U变化关系 画出I U曲线图 c 求短路电流和开路电压 d 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 e 计算填充因子 15 3 测量太阳能电池的光照效应与光电性质 在暗箱中 用遮光罩挡光 取离白光源20cm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处的光照强度J 求光强J与位置X关系 测量太阳能电池接收到相对光强度J J0不同值时 相应的ISC和U0C的值 a 描绘ISC和相对光强度J J0之间的关系曲线 求ISC和与相对光强J J0之间近似关系函数 b 描绘出U0C和相对光强度J J0之间的关系曲线 求U0C与相对光强度J J0之间近似函数关系 16 实验结果 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性 17 2 在不加偏压时 在使用遮光罩条件下 保持白光源到太阳能电池距离20CM 测量太阳能电池的输出电流对太阳能电池的输出电压的关系 太阳能电池在光照时 测量输出功率与负载电阻的关系 X 20cmJ 0 624mW 18 3 测量太阳能电池ISC和U0C与相对光强J J0的关系 19 实验分析和讨论 各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出 1 在全黑条件下 刚开始电压小于0 6 0 7v时 没有电流 因为此时二极管相当于一个恒定电阻 没有被击穿 当电压大于0 6 0 7v时 太阳能电池的电流随着电压的增大而增大 因为此时二极管已被击穿 2 有光照时 当光照强度不变时 电流和电压的变化规律大致符合公式3 输出功率P先是随着负载电压V的增大而增大 达到最大后 随着电压的减小而减小 4 光照距离越近 也即是光强越大 电池产生的电动势越大 但不能断定是否有上界 5 开路电压和短路电流随着光照距离的增大而增大 20 总结与展望 这次试验汇报从太阳能电池的结构 工作原理出发 介绍了太阳能电池的的等效电路图 介绍了表征太阳能电