SAC-Ⅲ_太阳能电池特性实验仪实验指导说明书_2010-06-09.doc

ZKY-SAC-太阳能光伏电池实验系统（探究型）实验指导及操作说明书成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院 邮编：610041电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006网址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKYZKY.Cn2010-06-05第 17 页 太阳能光伏电池实验系统（探究型）太阳能这个词早就脱离了学术交流领域而为普通大众所周知。太阳能指太阳辐射的能量。我们知道在太阳内部无时不刻的进行着氢转变为氦的热核反应。反应过程中伴随着巨大的能量向宇宙空间的释放。所有太阳释放到宇宙空间的能量都属于太阳能的范畴。科学研究已经表明太阳热核反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率3.81023Kw。根据地球体积、与太阳的距离等数据可以计算出地球辐照到的太阳能大致为全部太阳能量辐射量的20亿分之一左右。考虑到地球大气层对太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面的太阳辐照功率为80亿千瓦，折合500万吨标准煤的能量。随着社会经济的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。翻开任何一张新闻类报纸，不会看不到关于能源问题的报道。人类对能源的需求，随着社会经济发展而急剧膨胀，专家估计目前每年能源消耗总量为200亿吨标准煤，并且这其中的90%左右是依靠不可再生的化石能源来维持的。就目前这种状况，全球化石能源贮备只能维持100年左右。太阳能自然而言成为人类可持续发展不得不考虑的最佳能源方式。人类对太阳能的利用不是最近几十年的事情，而是具有悠久的历史。我国战国时期、古埃及等国家都有关于太阳能利用的记载。这类应用虽然是太阳能利用范畴，但方式、手段和目的都非常的原始。近代太阳能利用的标志是1615年法国工程师制造出第一台太阳能驱动的发动机。但高昂的造价和极低的效率注定这种发动机没有实用价值，只能是模型爱好者的宠儿。人类对硅材料的认识、固体理论、半导体理论的发展和成熟是太阳能利用的关键推动力，具有里程碑意义的事件是1945年美国Bell实验室研制出实用性硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用、贸易的热点。太阳能潜在的市场为全球关注。除了人类能源需求量的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、理论和工艺技术水平的提高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是一个重要的因素。太阳能给人无限的遐想，但需要对太阳能有一个全面客观的认识。任何的事物总是具有两面性的。就太阳能而言，其优势在于“普遍”，地球的任何角落都存在；“巨大”，太阳能是地球可供开采的最大能源；“无害”，不污染环境；“持续”，可稳定供应时间超过100亿年。太阳能的缺点在于它具备的分散性、不稳定性、高成本。分散性和不稳定性是地球地理特征决定的。高成本是工艺技术水平的不足导致的。太阳能是非常活跃的研究和应用领域，前景广阔，回报丰厚。这个领域也充满问题和挑战，对相关人才的需求量巨大。太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应。理解太阳能电池的工作原理、基本特性表征参数和测试方法是必要和重要的。一、实验目的1、了解pn结基本结构与工作原理；2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理；3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系；4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源波长、温度等因素对太阳能电池特性的影响；5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因；二、实验原理1、光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境，如温度、光照等，发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结。pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域。太阳能电池，本质上就是pn结。常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结。太阳能电池之所以能够完成光电转换过程，核心物理效应是光生伏特效应。这种效应是半导体材料的一种通性。如图1所示，当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势。如果构成回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn结是典型的一个例子。N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。根据半导体基本理论，处于热平衡态的pn结结构由p区、n区和两者交界区域构成。为了维持统一的费米能级，p区内空穴向n区扩散，n区内空穴向p区扩散。载流子的定向运动导致原来的电中性条件被破坏，p区积累了带有负电的不可动电离受主，n区积累了不可能电离施主。载流子扩散运动的结果导致p区负电，n区带正电，在界面附近区域形成由n区指向p区的内建电场和相应的空间电荷区。显然，两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，p区和n区两端产生一个高度为qVD的势垒。理想pn结模型下，处于热平衡的pn结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用。当有入射光垂直入射到pn结，只要pn结结深比较浅，入射光子会透过pn结区域甚至能深入半导体内部。如图2所示，如果入射光子能量满足关系（Eg为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材料本征吸收，在pn结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。光生载流子对p区空穴和n区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计。但是对少数载流子将产生显著影响，如p区电子和n区空穴。在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。在pn结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场。内建电场的驱动下p区光生少子电子向n区运动，n区光生少子空穴向p区运动。这种作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由n区指向p区，与内建电场方向 一致；第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，pn结势垒高度降低，甚至会完全消失。宏观的效果是在pn结两端产生电动势，也就是光生电动势。图2 光辐照下的pn结光辐照pn结会使得pn结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在pn结两端施加正向电压。这种情况下的pn结就是一个光电池。开路下pn结两端的电压叫做开路电压Voc，闭路下这种pn结等价于一个电源，对应的电流Isc称为闭路电流。光生伏特效应就是光能转化为电能的过程，开路电压和闭路电流是两个基本的参数。2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系（暗特性）太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个pn结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想pn结。其电流电压关系为肖克莱方程：其中为反向饱和电流。A、D、n、p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件下太阳能电池IV曲线不对称，这就是pn结的单向导通性或者说整流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。温度对半导体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为：由此可见随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子迅速增大。且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。半导体材料禁带宽度是温度的函数，其中为绝对零度时候的带隙宽度。设有，Vg0是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为：显然正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。图3给出了单晶硅太阳能电池板室温下（25）实际测量得到的暗特性IV曲线。 图3.单晶硅太阳能电池板（25）实际测量得到的暗特性IV曲线3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系（亮特性）光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向p区的光生电流IL，光生电动势等价于加载在pn结上的正向电压V，它使得PN结势垒高度降低qVDqV。开路情况下光生电流与正向电流相等时，pn结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的开路电压Voc。如图4所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过pn结，显然pn结相当于一个电源。 光电流IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使pn结正偏。如图3所示，正偏电压产生正偏电流IF。在反偏情况下，pn结电流为 随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，因此太阳能电池的电流总是反向的。根据图4的等效电路图。有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻RL0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，pn结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流Isc。其二是负载电阻，外电路处于开路状态。流过负载电阻电离为零，根据等效电路图，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压Voc就是所谓的开路电压。显然有得到开路电路电压VOC为开路电压Voc和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数。 实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒高度VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。4、太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：其中在IV关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图4光特性IV曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是IV曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.70.8之间。太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si太阳能电池的最大效率大致是28左右。对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在1015之间。为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可以采用通过光学透镜集中太阳光。太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大。不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大。但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉，因此透镜集中也是一个有优势的技术选择。图5是单晶硅太阳能电池板室温下（25）、750W氙灯光源直接照射下得到的光特性IV曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图。图5.实测单晶硅太阳能电池板输出伏安特性曲线5.太阳能电池光谱响应太阳能电池光谱响应测试：太阳能电池的光谱响应R（）是指在某一特定波长 处，太阳能电池输出的短路电流I（）与入射到太阳电池上的辐射功率（）的比值：R（）=I（）/（） 本测试系统采用比对法来测太阳电池的光谱响应,即采用标定过的光谱响应已知的光强探测器作为标准,则待测样品太阳电池的光谱响应为:R() = R() I () /I()其中R()为比对光强探测器的归一化后的光谱响应,I()为光强探测器在给定的辐照度下的短路电流,I()为待测太阳电池在相同辐照度下的短路电流。光谱响应特性与太阳能电池的应用：从太阳能电池的应用角度来说，太阳能电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳能电池的光电转换效率。例如，有的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳能电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输出的变动。6.太阳能电池温度特性除了太阳能电池的光谱特性外，温度特性也是太阳能电池的一个重要特征。对于大部分太阳能电池，随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减少，转换效率降低。下图6为单晶硅太阳能电池片输出伏安特性随温度变化的一个例子。图6.不同温度时单晶硅太阳能电池片的输出伏安特性三、实验设备仪器组成：测试仪、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和显示由计算机软件完成。仪器整机照片如下：图7.仪器整体照片1、 测试仪面板介绍：（见图8）.紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针旋转自动归位。.关机按钮。.开机按钮。.与计算机通信的USB接口。.光源通信接口：升级版本的光源控制接口，目前无此功能。故障灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常。工作状态：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整。电源：红色闪烁表示关机中，红色表示正常工作。图8.测试仪面板示意图（1） 光路部分本设备光路简洁，有光源、凸透镜、滤色片构成。图9.光路示意图（2） 电路部分电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太阳能电池片所在的控温室的温度控制，可在-1040范围内对太阳能电池片进行温度特性测试。测试电路测试太阳能电池片各性能的数据，该电路将测得数据传送给微机，由微机进行数据的显示和处理。 2、氙灯电源与氙灯光源（1）氙灯电源氙灯电源用于氙灯的点燃和轴流风冷以及光源腔体内除湿。图10.氙灯电源面板示意图.紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针旋转自动归位。.关机按钮。.开机按钮。.光源通信接口：升级版本的光源控制接口，目前无此功能。.光强选择档位。从1档到6档光强逐渐增大。故障灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常。工作状态：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整。电源：红色闪烁表示关机中，红色表示正常工作。（2）氙灯光源采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源标称功率750W出射光孔径为50mm；启动过程中约有3分钟的腔体除湿，防止因空气湿度过大氙灯不能正常启动。氙灯开启后待氙灯光源稳定后（约10分钟）再使用。3、滤光片组滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能电池的光谱响应特性。滤光片共8片，中心波长分别为395nm，490nm，570nm，660nm，710nm，770nm，900nm，1035nm。4、太阳能电池板组太阳能电池板共三种：单晶硅太阳能板，多晶硅太阳能电池板，非晶硅太阳能电池板。标称开路电压均为3.0V，单晶硅和多晶硅有效受光面积为25mm28mm，非晶硅有效受光面积为30mm30mm。光强探测器用于测定入射光强度。其中光强探测器已采用标准光功率计进行了标定， 其表面积为7.5 mm2。5、微机软件 见软件说明书四、实验内容简要说明（具体操作见软件说明书）1.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。本次实验是在闭光条件下，在不同温度点测试太阳能电池的正反向伏安特性。 (1)暗特性正向测试图11暗特性正向测量原理图测试步骤： 镜筒加遮光罩，室温条件下，按图11原理图，对太阳能电池片两端加0-3V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。 镜筒加遮光罩，改变温度值，范围为-10-40。按图2原理图，对太阳能电池片两端加0-3V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。（2）暗特性反向测试图12.暗特性反向测量原理图测试步骤： 镜筒加遮光罩，室温条件下，按图12原理图，对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。 镜筒加遮光罩，改变温度值，范围为-10-40。按图3原理图，对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。2.太阳能电池的亮特性测试亮特性测试内容主要是在不同温度，不同光照强度，不同光谱的情况下，测试单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池输出的电压，电流，并计算输出最大功率和填充因子、转换效率。图13亮特性测试原理图 (1) 开路电压，短路电流与光强关系测量 不加滤光片，室温下， 改变氙灯光强大小，测单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池对应的短路电流，开路电压。测量原理见图14。光强大小由光强探测器测得。图14.开路电压，短路电流与光强关系测试原理图实验步骤：室温下，插入光强探测器依次测量各光强档位对应的光强值，并记录。取出光强探测器，放入太阳能电池片，选择光强档位，按图14原理图依次测量开路电压，短路电流，并记录数据。依次改变光强档位，按图14原理图依次测量开路电压，短路电流，并记录数据。更换太阳能电池片，重复步骤。(2) 太阳能电池输出特性实验 通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I,并计算输出功率POUT=VI，测量原理见图13。填充因子计算：，其中Pmax为输出电压与输出电流的最大乘积值，VOC为本次测量的开路电压，ISC为本次测量的短路电流。转换效率s计算： 其中Pin为入射到太阳能电池表面的光功率，该光功率由光强探测器间接测得：P=I*S,其中I为光强探测器测得光强值，S=7.5mm2为光强探测器采光面积。实验步骤：插入光强探测器，光强档位选择为最大，温度为室温。记录当前光强值。取出光强探测器，放入太阳能电池片，改变电池片负载的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I。更换太阳能电池片，重复步骤。（3）太阳能电池光强实验不加载滤色片，在三种不同光强下测量单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池片的IV特性(原理见图13)，得到不同光强下的IV特性曲线、开路电压、闭路电流数据。比较不同光强下伏安特性的差异。实验步骤：插入光强探测器，选择光强档位为001，温度为室温。记录当前光强值。改变光强档位为002档，测量当前档位光强值并记录。改变光强档位为003档，测量当前档位光强值并记录。取出光强探测器，放入太阳能电池片，选择光强档位为001，改变太阳能电池片的负载电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I。更换太阳能电池片，重复步骤。选择光强档位为002，改变太阳能电池片的负载电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I。更换太阳能电池片，重复步骤。选择光强档位为003，改变太阳能电池片的负载电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I。更换太阳能电池片，重复步骤。（4）太阳能电池光谱灵敏度实验实验内容：最大光强下，室温环境下，加载不同滤色片，用光强探测器测量透过滤光片后太阳能电池片处的光强值（），测量加载滤光片后单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池片的短路电流I（），则太阳能电池的光谱响应值R（）=I（）/（），通过原理中所述比对法就可以进行光谱响应曲线的绘制。实验步骤：插入光强探测器，光强档位选择为光强最