补偿法测硅太阳电池的负载特性

补偿法测硅太阳电池的负载特性1实验目的通过实验学习硅太阳电池负载特性的测量方法。掌握补偿法的基本原理。2实验内容测试AM15及另一稍小光强下的自制电池的光生IV特性以及暗特性。3实验原理电池光伏安特性测试的补偿法原理负载特性就是太阳电池在外接负载情况下的伏安特性。它能全面反映电池的PN结特性及欧姆接触电阻等分布参数，是电池最主要的特性。它的测量能给出电池最大输出功率、光电转换效率、电池串联电阻以及PN结的特性参数。负载特性测量有直接法和补偿法。因直接法不能实现开路状态，也达不到短路效果（图3），而补偿法能测得完整的负载特性曲线（图1），且补偿法还有助于同学们深入理解太阳电池的工作机理，还可以进行暗特性的测量，所以我们选择补偿法进行测量。太阳电池在光照下的伏安特性称为光伏安特性，无光照时的伏安特性称为暗伏安特性，图1（A）给出了这两种伏安特性的曲线。电池光伏安特性曲线是电池光生电流随电压变化的曲线。对光生电流而言，电流轴要反过来，如图1（B）所示。常常把电池光伏安特性曲线称为电池负载特性曲线。但是，实际意义上的负载特性曲线应该是图1（A）中（0，ISC）至VOC，0两点之间的曲线段。它才与负载从0至无穷的种种负载状态下的电池伏安特性相对应。补偿法是基于电池负载特性分析所引出的方法。理想电池相当于一个电流为IL的恒流源与一只正向二极管的并联，如图2（A）。如果光电流为IL，流过二极管的正向电流为IF，则流经负载的电流为1FLI210AKTQVEI式中，I0是反向饱和电流，V是负载电阻R两端的电压，同时它又是理想电池二极管的正向电压，A是PN结的质量因子。理想情况下A1。将（2）式代入（1）式，就得到理想光电池的伏安特性方程310AKTQVLEI当R0时，V0，IF0，则短路电流为4LSCI当时，电池开路，光生电流全部通过PN结。这就是说，RSCLFI,0在开路光电压的作用下，电池二极管完全导通，因而由（3）、（4）两式可得开路电压51LN0IQAKTVSOC可见，在恒定光照下，负载电阻由，引起PN结偏压由，使得二极管正向OCV0电流由。以至负载电流由。这就给我们一个启示电池负载特性测量不仅LI0SCI可以通过改变负载电阻测得，而且还能通过改变PN结的偏压获得。因为光照一定时，电池的光电流IL也是一定的。如果将负载变化所造成的PN结的偏压变化，变为直接改变PN结的偏压，促成正向电流IF及负载电流I的变化，其结果是等效的。但是，这样做不仅可以获得完整的电池负载特性，而且还可以使实验者更加直观深入地认识电池的工作机制。补偿法的测试电路如图4所示它实际上就是两个阻值相同的电阻R串联后与电位器的总电阻R及稳压电源并联，然后由电位器的滑动臂和两个电阻R的连接点引出一个支路，与电池、取样电阻、一起构成一个类似于惠斯顿电桥的桥路。其电池、取样电阻R支路就等同于惠斯顿电桥的检流计支路。图4中的滑动臂在中点位置0时，电桥平衡，电池、取样电阻支路的电流0ABV，等效于开路，此时电池两端的电压等于开路电压，即。0IOC只要电位器的滑动臂一离开中间位置，电桥就会失去平衡。当它由中点O向A滑动时，。于是电池支路里加进了一个由零开始的渐增的正偏压。以至于，BAVLFI，伏安特性曲线进入第四象限（见图1A）。LFII当滑动臂从O向B滑动时，以至于电池支路里加进了一个由零开始逐渐减BAV小的负偏压。使得电池的PN结实际正偏压逐渐减少，IF也随之减小，于是流经取样电阻R的光电流将逐渐增加。当VAB给出的反向偏压刚好等于取样电阻R上的电压V时，即VAB的反向偏压完全补偿了取样电阻上的电压V时，电池的PN结零偏，光生电流IL全部流经外电路，构成短路电流ISC。若VAB再进一步向SCLFII,0负的方向绝对值增加，PN结将进入负偏。于是伏安特性曲线就进入了第三象限（图1A）。如此，通过改变PN结的偏压，既测得了完整的负载特性，又全面测得了电池的光伏安特性。同时，因为这个方法本身给出了由负零正变化的直流偏压，因此它还能用于电池PN结的暗伏安特性测量。实验装置补偿法的实验电路如图5所示这一电路是为全面测量电池的光、暗特性而设计的，同时为了比较，还附加了直接法测量电路。所有这些特性曲线均可用记录仪记录。其电压值由直流数字电压表读取，电流值由毫安表测得的短路电流ISC定标。实验过程中采用模拟太阳光，这里采用经0305硫酸铜水溶液滤去部分红外光的碘钨灯光源，其光谱曲线如图6所示。实验中借助于“标准”电池调节光源电压或调节硫酸铜水溶液的量，使模拟太阳光为AM15的光谱照度或其它所需照度。AM15是指大气质量为15。它是表征太阳实际辐照条件的量。因为大气层中存在大量的水蒸气、二氧化碳、氧气、臭氧和尘埃，当太阳光通过大气层时，它们将对太阳辐射产生吸收、散射或反射，使太阳的辐照度被削弱。其削弱的程度与太阳光通过大气层的距离有关。对于同样的大气层厚度，太阳光直射和斜射通过大气层的距离是不相同的。故用大气质量（AM），即太阳光斜射通过大气层的距离与太阳光直射通过大气层的距离之比，来表征太阳的实际辐照条件。如果大气层厚度为D，太阳光以入射角Z倾斜射入大气层，那么，太阳光通过大气层的距离D为SECZDDAM显然大气质量就是太阳入射角的正割。例如太阳在天顶，Z0，则AM1，谓之大气质量为1（即AM1）；又如太阳斜射，Z482O，则AM15，谓之大气质量为15（即AM15）。还需指出，地球大气层外的上空没有空气，大气质量为零，用AM0来表示。太阳电池的测量普遍采用的是地球上大部分地区都能得到的AM15所对应的太阳光谱分布。这一太阳光谱分布的积分能量是835MW/CM2。但是，人们常用的AM15太阳光谱分布的辐射功率数据是100MW/CM2。除了辐照条件外，电池测量还有温度要求。由于半导体的温敏特性，硅太阳电池的参数，尤其是开路电压和输出功率都具有可观的温度系数CDTPMVMOC4502因此，为了比较电池的性能，必须统一测试温度，故有25的测试条件。实验室采用半导体PN结致冷和热敏电阻测温控温的25样品台来保证测试所需的温度条件。4实验步骤按照实验线路图接好线。将函数记录仪X、Y量程置于高档，通电预热，样品台通电，使之恒温于25，稳压电源输出电压设为3V。调节碘钨灯电源电压，使其光照度为AM15，然后换上待测样品。依据电池样品的ISC、VOC值选择记录仪的X、Y量程，并用调零旋钮选好曲线的位置（注意调零旋钮一经选定，不得再动）。旋转可变电阻，先抬笔试画。其间注意寻找AM15条件下，该样品刚好实现电池短路补偿的电源电压。若此电压为V0，则稳压电源值调到V0051V为妥。一切调好后落笔，旋转可变电阻画出样品AM15的IV曲线。记下X、Y量程和用表测量的。1,SCOIV使X、Y量程旋钮分别置于“短路”，确定I轴、V轴。减小光强（为了使电池参数不变，光强应作微小改变），抬笔调电位器。先试画然后落笔记录稍小光强下的IV曲线。注意记下其。2,SCO关断光源，并将电池避光，记录电池暗条件下的正向特性，其间注意电流轴要反向，并注意记下对应上述两短路电流值的正向电流及正向压降。即2211FSCFVI时的时的5数据处理及分析最大输出功率和最佳负载在AM15曲线上，根据各点的I、V乘积之极大值，定出最佳工作电压VM、最佳工作电流IM，于是最佳负载为6MR最大输出功率为7IVP填充因子最大输出功率PM与之比称为太阳电池的填充因子，用FF表示。显然，SCOIFF越大，IV曲线越接近方形，PM也越大。8IVIFOCMS光电转换效率光电转换效率定义为9INOCSINMPAIF式中，A是电池总面积；PIN是AM15太阳光谱下电池单位面积上入射的光功率。其值为。210CMW串联电阻RS电池的串联电阻实际上是一个分布参数。从构成上来讲，它主要与硅片电阻率、扩散薄层电阻、电极尺寸形状及制备技术有关。但是在测量过程中，它是基于等效电路的集中参数来处理的。其测量方法主要是不同光强下的负载曲线比较法及暗特性曲线比较法。前者确定的是最佳负载附近的串联电阻，故较有实际意义。不同光强下的负载曲线比较法图7（A）上AV曲线最佳工作点PA的电压、电流分别为VA、IA，在稍小光照下的IV曲线上选一点PB，使其满足ASCBSCII即F在这两种不同的光强下，PN结的正向电流不变，因此由图2（B）可得ASBSVRII所以10BSCASBASIIVR光、暗特性比较法由电池等效电路不难理解电池正向暗特性饱含了RS的影响，而电池光照下的开路电压VOC不包含RS的影响。因而可以用光、暗特性比较法测出RS。把图7（B）中的电池二极管正向暗特性曲线改变电流轴的方向后与其光照下的负载特性曲线叠合。这样电压轴上与VF对应的正向电流，于是根据上述分析可得SCFIO1SCFIR反向饱和电流I0开路情况下，所以，（3）式括号中的1可以略去，于是得到1EXPAKTQVOC0LNIQAKTSCOC那么，由A、B两曲线可得0LLIIVBSCABOCAOC由此可以导出121LNLEXP0BOCAAVIPN结质量因子A求得了反向饱和电流I0，依据AM15下的，或稍弱光强下的，由1,SI2,SCOIV（5）式即可求得PN结质量因子A。6思考题根据实验结果参考附录或有关资料，分析样品负载特性，并提出改进措施。为是么说补偿法能使实验者直观深入地认识电池的工作机制呢如果短路补偿时电源电压为V0，为是么说电源电压调到为妥V150当可变电阻滑动臂调到B端尽头时，实验上如何实现其电源电压也刚好调到短路电压补偿点7附录实际硅太阳电池IV特性曲线由图2（B）中的实际电池等效电路可以导出IV特性方程为SHSAKTIRVQLSHFLRIEIIS10式中，是由于PN结区的缺陷及PN结表面的沾污所引入的旁路电阻