太阳能电池特性研究实验论文

本科生实验论文本科生实验论文 太阳能电池特性研究 论文作者 郭海生 专 业 物理学 年 级 大二 学 号 1408405070 指导老师 吴茂成 完成日期 2015 年 12 月 15 日 摘要摘要 本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶 硅太阳能电池的暗伏安特性 开路电压与短路电流随光强变化 输出特性作了 初步的分析和研究 关键词关键词 太阳能电池特性 单晶 多晶 非晶 暗伏安特性 开路电压与短路 电流随光强变化 输出特性 填充因子 转换效率 引言 引言 太阳能是人类最早认识并加以利 用的能源之一 20 世纪以来 随着社会经济 的发展和人民生活水平的提高 对能源的需求量不断增长 太阳能资源具有数 量巨大 时间长久 普照大地 清洁安全 的优点 具有很大的开发潜能 同时 太阳能有分散性 间断性和不稳定性 效率低和成本高的缺点 制约着太阳能 的普及使用 这需要科研设计来克服 通过研究三种太阳能电池的光电特性 了解各自的优缺点 为太阳能电池发展搞清方向 正文正文 1 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件 也称光伏电池或光电池 美国的 Bell 实验室于 1954 年研制成功第一块太阳能电池 但是效率太低 造 价又过于昂贵 因此没有多少商业价值 后来由于航天科技的逐步发展 太阳 能电池所起的作用变得越来越重要 在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少 的重要元件 这也促进了太阳能电池的开发研究 由于许多新技术的采用 太 阳能电池的效率有了很大提高 新南威尔士大学的科研人员 MartinA Green 领 导的研究小组 已经使单晶硅太阳电池转换效率高达 24 7 太阳能电池依据 不同的标准 可以有不同的分类方法 根据太阳能电池技术的成熟程度来划分 可以分成以下几个阶段 第 1 代太阳能电池 主要是晶体硅太阳能电池 第 2 代太阳能电池 主要是各种薄膜太阳能电池 第 3 代太阳能电池 主要是各种 新概念太阳能电池 根据太阳能电池使用的基本材料来划分 可以分为硅太阳 能电池 化合物太阳能电池 有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几 种 根据太阳能电池的结构来划分 可以将太阳能电池分为晶体硅太阳能电池 和薄膜太阳能电池两大类 本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶硅 太阳能电池的暗伏安特性 开路电压与短路电流随光强变化 输出特性作了初 步的分析和研究 2 发展太阳能意义发展太阳能意义 随着技术的改善 产品生产规模的扩大和成本的降低 对太阳能的兴趣将 进一步增加 太阳能经济的目标就是实现与电网的同价 即未经补贴的太阳能 成本等同或低于传统电网的成本 管理咨询公司麦肯锡公司的一项分析预测说 到 2020 年 至少有 10 个光照强烈的地区将实现电网同价 但是这些地区几 乎可以肯定是在意大利 日本 西班牙和美国等发达国家的内部 对于发展中 国家 即便实现了电网同价 仍然需要离网的解决方案 从而为偏远社区提供 能源 尽管和大规模电网连接的太阳能系统的成本将随着太阳能板价格的下降 而下降 更小的离网系统不太可能出现类似的成本降低 这部分是由于电池的 价格仍然很高 电池可能占一个离网太阳能系统成本的至多 40 而且替换电 池还有额外的费用 因为电池的寿命不太可能和太阳能板一样长 电器的效率 也对离网太阳能系统的供电成本有巨大的影响 例如 一位有把 PV 系统引入 发展中国家的经验的德国工程师估计 如果一个村庄能分别安装节能灯和新型 的冰箱和电脑 那么向村庄供应离网太阳能电力的成本可能从 3 5 万美元降低 到仅 8300 美元 3 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理 太阳能电池的制作材料多种多样 有硅 硒 砷化镓 硫化镉等 但目前在全 球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池 因此本文中主要以硅材料太阳能 电池为代表来讨论太阳能电池的工作原理 晶体硅太阳能电池的结构如图 2 1 所示 晶体硅太阳能电池是用硅材料制 成大面积 pn 结进行工作的 一般是以 P 型硅半导体材料作为基质材料 在 P 型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的 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 在整个背面制作作为背面接触电极的金属膜 太阳 能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反射损失 当太阳 能电池表面的 pn 结受到太阳光的照射时 如果入 射光子的能量高于硅材料的禁带宽度 则在 n 区 P 区和结区中会因光子被吸收而产生电子空穴对 在结附近的 n 区中产生的少数载流子会因为存在 浓度梯度而扩散 如果少数载流子离 pn 结的距离 小于它的扩散长度 就会有扩散到结界面处的几 率 在结区即 P 区与 n 区交界面的两侧存在一个 被称为耗尽层的空间电荷区 在耗尽层内的正负 电荷间会形成一个方向由 n 区指向 P 区的内建电场 扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向 P 区 而扩散到结界 面处的少数载流子电子会被内建电场拉向 n 区 结区内产生的电子一空穴对会 被内建电场分别拉向 n 区和 P 区 在外电路处于开路状态的情况下 这些光生 电子和空穴会积累在 pn 结附近 结果使 P 区获得附加正电荷 n 区获得附加负 电荷 在 pn 结上就会产生光生电动势 这一现象称为光生伏打效应 也称光 伏效应 太阳能电池就是根据光伏效应工作的 太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子 光子 而每 个光子所携带的能量为 Eph Eph hc 式中 h 表示普朗克常数 6 626 10 34J S c 表示光速 3 10 8m s 表示光子波长 在不同的光谱中光子所携带的能量不 样 当光子所携带的能量若大于能 隙 便可以由转换为电能 若光子所携带得能量小于能隙时 光子没有足够的 能量来形成电子空穴对 不会产生任何的电流 因此并非所有光子都能顺利地 由太阳能电池将光能转换为电能 电池的能隙由电池材料决定 对于晶体硅 约为 1 1ev 一般太阳能电池的转换效率在 20 左右 4 实验过程 1 硅太阳能电池的暗伏安特性测量 暗伏安特性是指无光照射时 流经太 阳能电池的电流与外加电压之间的关系 用遮光罩罩住太阳能电池 测试原理 图如图 6 所示 将待测的太阳能电池接到 测试仪上的 电压输出 接口 电阻箱调 至 50 后串连进电路起保护作用 用电压表测量 太阳能电池两端电压 电流表测量 回路中的电流 将电压源调到 0V 然后逐渐增大 输出电压 每间隔 0 1V 记一次电流值 记录到表 1 中 将电压输入调到 0V 然后将 电压输出 接口的两根连线互换 即给太阳能电池加上反向的电压 逐渐增大反向电压 记录电流随电压变换的数据于表 1 中 电流 mA 电压 V 单晶硅多晶硅非晶硅 7 5 1 7 1 0 082 7 1 5 0 9 0 076 6 1 3 0 6 0 066 5 1 0 4 0 055 4 0 8 0 2 0 044 3 0 6 0 142 0 033 2 0 4 0 075 0 022 1 0 2 0 033 0 011 0000 0 300 0110 003 0 60 10 0290 006 0 90 20 0670 009 1 20 30 10 013 1 50 50 30 016 1 80 80 80 02 2 11 72 10 025 2 44 56 50 035 2 610 815 90 048 2 829 841 40 069 2 950 967 30 087 图 6 伏安特性测量接线原理图 表 1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量 387 5107 80 11 3 10 142 3 20 2 3 50 5 3 71 4 34 6 4 914 5 5 531 648 6 实验结论 实验结论 加反向电压时 单晶硅电流大于多晶硅 大于非晶硅 而且电流非 常小 说明加反向电压时阻碍非常大 加正向电压时 单晶硅一开始把多晶硅 大 但很快被超过 而且值较大并且升得快 而非晶硅的电流值一直最小 而 且到 5V 才明显增大 2 开路电压 短路电流与光强关系测量 打开光源开关 预热 5 分钟 打开遮光罩 将光功率探头装在太阳 能电池板位置 探头输出线连接到太阳能 电池特性测试仪的 光强输入 接口上 测试仪设置为 光强测量 由近及远移动 滑动支架 测量距光源一定距离 每次增 加 5 的光强 I 记录对应的光强值 然后将光功率探头换成单晶硅太阳能 电池 测试仪设置为 电压表 状态 按图 2A 接线 按测量光强时的距离值 光强已知 距离每增加 5cm 记录对应的开路电压值 Uoc 再按图 2B 接线 将太阳能电池输出线连接到电流表 按测量光强时的距 离值 光强己知 距离每增加 5cm 记录对应的短路电流值 Isc 将单晶硅太阳能电池换成多晶硅和非晶硅太阳能电池重复以上操作 将测得的光强 I 三种太阳能电池的开路电压值 Uoc 短路电流值 Isc 记录 在表 2 中 根据测量数据分别作太阳能电池的开路电压 短路电流随光强变化的关系 曲线 距离 cm 101520253035404550 光强 I W m2 107254029218212792725848 开路电压 Voc V 2 982 852 752 672 612 552 52 452 4 单晶硅 短路电流 Isc mA 132 1 57 131 720 214 110 58 16 65 4 开路电压 Voc V 2 932 782 672 582 52 432 372 322 27 多晶硅 短路电流 Isc mA 91 640 323 615 210 98 26 55 24 3 开路电压 Voc V 3 383 253 163 083 022 972 922 882 85 非晶硅 短路电流 Isc mA 17 27 64 22 61 81 310 80 7 表 2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系 实验结论 实验结论 1 距离越大 光强越小 2 光强越小 三种太阳能电池的开路电压与短路电流都变小 3 光强变小时 开路电压改变较平缓 而短路电流一开始下 降趋势较大 然后趋势较小 3 测量太阳能电池输出特性 将单晶硅太阳能电池板安装到支架 上 并将滑动支架固定在导轨上某一个 位置 如 20cm 一定光照强度下 以 电阻箱作为太阳能电池负载 通过改变 电阻箱的电阻值记录太阳能电池的输出 电压 U 和电流 I 并计算输出功率 P U I 将其记录在表 3 中 将单晶 硅太阳能电池换成多晶硅和非晶硅太阳 能电池重复以上操作并分别计算三种太阳能电池的填充因子和转换效率 注 入射到太阳能电池板上的光功率 Pin I S I 为光强 S 为太阳能电池 板面积 S 2 5 10 3m 电 压 U V 00 2 0 4 0 60 811 2 1 41 61 822 2 2 32 42 52 6 2 7 2 8 电流 I mA 32 1 31 7 31 6 31 4 31 1 30 9 30 8 30 7 30 6 30 4 29 9 28 3 2621 8 12 8 电阻 R 061219253239465360687990112199 单 晶 硅 功率 P mW 0 6 3 4 12 6 4 18 8 4 24 8 8 30 9 36 9 6 42 9 8 48 9 6 54 7 2 59 8 62 2 6 59 8 52 3 2 32 表 3 三种太阳能电池输出特性实验 D 20 光强 I 292W S 2 5 10 3m Pin I S 730mW 电流 I mA 23 1 22 9 2221 3 20 8 20 5 20 3 20 2 20 1 202019 5 18 3 14 5 6 4 电阻 R 091828394960718192102 115128169399 多 晶 硅 功率 P mW 0 4 5 8 8 8 12 7 8 16 6 4 20 5 24 3 6 28 2 8 32 1 6 364042 9 42 0 9 34 8 16 电流 I mA 4 4 4 3 4 34 24 13 9 3 83 63 332 6 21 81 41 2 0 9 0 6 0 4 电阻 R 04896146199259 326399494614790 1090 1319 1649 214 9 294 9 424 9 664 9 非 晶 硅 功率 P mW 0 0 8 6 1 72 2 52 3 28 3 9 4 56 5 04 5 28 5 45 2 4 44 14 3 36 3 2 3 4 1 6 2 1 1 2 根据表 3 数据和图可以得出三种太阳能电池的最佳匹配负载分别为 单晶硅 79 多晶硅 116 非晶硅 705 4 填充因子 FF 定义为 FF Pmax Uoc Isc 填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数 其值越大 电池的光电转换效 率越高 一般的硅光电池 FF 值在 0 75 到 0 8 之 间 转换效率 s 定义为 s 100 Pmax Pin Pin 为入射到太阳能电池表面的光功率 理论分析及实验表明 在不同的光照条件下 短 路电流随入射光功率线性增长 而开路电压在入射光功率增加时只略微增加 如图 5 所示 在实际应用中 为得到所需的输出电流 通常将