太阳电池伏安特性的研究及其应用

1、1 宁宁 夏夏 大大 学学 电磁学实验课程电磁学实验课程 综合设计研究性实验报告综合设计研究性实验报告 （2012201220132013 学年第二学期）学年第二学期） 题目：题目：太阳电池伏安特性的研究及其应用 院（系）：物理电气信息学院院（系）：物理电气信息学院 专业班级：应用物理班班专业班级：应用物理班班 学学 号：号：12012241921 学生姓名：魏少华学生姓名：魏少华 分分 数：数： 教师签字：教师签字： 2013 年年 06 月月 18 日日 1 太阳电池伏安特性的研究及其应用 摘摘 要要: : 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件， 又叫光伏器件，主要有单晶

2、硅电池和单晶砷化镓电池等。太阳电池最初为 空间航天器使用，空间航天器用单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达 0.999999、电阻率在 10 欧厘米以上的 P 型单晶硅，包括 p-n 结、电极和 减反射膜等部分，受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止 电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从 22 厘米至 5.95.9 厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换 效率为 20%以上 ，实际已达到 15%以上 关键词：光能转换成电能关键词：光能转换成电能 应用广泛应用广泛 环保环保 可持续可持续 1.引言 太阳电池发展历史可以追溯到 1839 年，当时的法国物

3、理学家 Alexander- Edmond Becquerel 发现了光伏特效应（Photovoltaic effect） 。直到 1883 年， 第一个硒制太阳电池才由美国科学家 Charles Fritts 所制造出来。在 1930 年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例 如光度计及照相机的曝光针上。 中国第一个太阳电 目录目录 1 1.引言. .1 1 2.太阳电池的应用2 2 2.1 太阳电池应用的领域 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 太阳电池应用的现状 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.太阳电池的伏安特性 .错误！未定义书签。 3.1

4、 实验目的 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 实验原理 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.数据处理 .错误！未定义书签。 4.1 作图 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1.实验总结 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.2 误差分析 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 .错误！未定义书签。 2.太阳电池的应用 太阳电池板应用的领域： 1 1.用户太阳能电源：（1）小型电源 10-100W 不等，用于边远无电地区如 高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等； （2）3-5KW 家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏

5、水泵：解决无电地区的深 水井饮用、灌溉。 2. 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、 高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。 3. 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/ 寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵 GPS 供电等。 4. 石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、 石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。 5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、 黑光灯、割胶灯、节能灯等。 6.光伏电站：10KW-50MW 独立光伏电

6、站、风光（柴）互补电站、各种大 型停车厂充电站等。 7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实 现电力自给，是未来一大发展方向。 8.其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、 汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电 系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。 1 太阳能电池应用现状太阳能电池应用现状 据 Dataquest 的统计资料显示，全世界共有 136 个国家投入普及应用太阳 能电池的热潮中，其中有 95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制 开发，积极生产各种相关的节能新产品。199

7、8 年，全世界生产的太阳能电 池，其总的发电量达 100 光伏发电 0 兆瓦，1999 年达 2850 兆瓦。根据欧洲光伏工业协会 EPIA2008 年的预测，如果按照 2007 年全球 装机容量为 2.4GW 来计算，2010 年全球的年装机容量将达到 6.9GW,2020 年和 2030 年将分别达到 56GW 和 281GW，2010 年全球累计装机容量为 25.4GW，预计 2020 年达 到 278GW，2030 年达到 1864GW。全球太阳能电池产量以年均复合增长 率 47%的速度迅猛增长，2008 年产量达到 6.9GW。8 许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在 21

8、世纪大规模开发太 阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。 NREL 光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅 和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能 1 太阳能电池汽车 和工程、 光伏应用和市场开发等 5 个领域开展研究工作。 美国还推出了太阳能路灯计划,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太 阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太 阳能7 万套工程计划， 日本准备普及的太阳能住宅发电系统，主要是装 设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电 力公司。一个标准家庭可安装一部发电 300

9、0 瓦的系统。欧洲则将研究开 发太阳能电池列入著名的尤里卡高科技计划，推出了10 万套工程计划 。这些以普及应用光电池为主要内容的太阳能工程计划是推动太阳能光 电池产业大发展的重要动力之一。 日本、韩国以及欧洲地区总共 8 个国家决定携手合作，在亚洲内陆及非洲 沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站，他们的目标是将占全球陆 地面积约 1/4 的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为 30 万用户 提供 100 万千瓦的电能。计划将从 2001 年开始，花 4 年时间完成。 美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大 的光伏发电厂，其功率为 7MW，日本也建成了发电功

10、率达 1MW 的光伏 发电厂。全世界总共有 23 万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西 兰居于领先地位。 1 20 世纪 90 年代以来，全球太阳能电池行业以每年 15%的增幅持续不断地 发展。据 Dataquest 发布的最新统计和预测报告显示，美国、日本和西欧 工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资，1998 年达 570 亿美元； 1999 年 646 亿美元；2000 年 700 亿美元；2001 年将达 820 亿美元；2002 年有望突破 1000 亿美元 中国太阳能电池现状中国太阳能电池现状 中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视，早在七五期间，非晶硅半导 体的研究工作已经

11、列入国家重大课题；八五和九五期间，中国把研究开发 的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003 年 10 月，国家发改委、科技 部制定出未来 5 年太阳能资源开发计划，发改委光明工程将筹资 100 亿 元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到 2015 年全国太阳能发电系统 总装机容量达到 300 兆瓦。中国已成为全球光伏产品最大制造国，中国即 将出台的新能源振兴规划 ，中国光伏发电的装机容量规划为 2020 年达 到 20GW，是原来可再生能源中长期规划中 1.8GW 的 10 多倍。 2002 年，国家有关部委启动了西部省区无电乡通电计划，通过太阳能和 小型风力发电解决西部七省区无电乡的 1

12、多晶硅太阳能电池 用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条 太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。据专家预测， 中国光伏市场需求量为每年 5MW,20012010 年，年需求量将达 10MW， 从 2011 年开始，中国光伏市场年需求量将大于 20MW。 国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川 峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能 单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的 25%左右。 在太阳能电池材料下游市场，国内生产太阳能电池的企业主要有宏威集团、 无锡尚德、海润光伏、南京中电、保定英利、河北晶

13、澳、林洋新能源、苏 州阿特斯、常州天合、拓日新能、云南天达光伏科技、宁波太阳能电源、 京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在 800MW 以上。 2009 年，国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩，实际业界人并 不认可，科技部已经表态，多晶硅产能并不过剩3。 太阳能电池发展前景太阳能电池发展前景 太阳能电池的应用已从军事领域、天领域进入工业、商业、农业、 通信、 家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、 海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在现阶段，它的成本 还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济 上的限制。 市场上销售的

14、光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产 1 能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的 太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要 10 年左右时间，使用单晶 硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂 经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多， 环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产。我国各地大上单晶硅及单 晶硅电池生产线。据业界老大施正荣先生答记者透露，2008 年大陆光伏电 池产量占全球总量 30%，中国光伏产业连续两年成为世界第一。 然而，我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术虽然很成 熟，然

15、而还在不断发展，其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池 的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距，光伏电池市场主要靠 各国政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电 1 元以上。今后， 要使光伏电池大规模应用，必须不断改进光伏电池效率和生产成本，在这 个过程中，生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短，仅 35 年。光伏电池生产企业投资大，回收周期长，由于技术更新快，国内 企业，如果不掌握技术，及时更新技术，就会很快被淘汰，很可能不能收 回投资。9 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换 装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电

16、池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利 用太阳能开辟广阔的前景。 太阳电池伏安特性的研究 【实验目的实验目的】 1.1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用了解太阳能电池的工作原理及其应用 1 2.2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线测量太阳能电池的伏安特性曲线 【实验原理实验原理】 1太阳电池的结构 以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1 所示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 过重掺杂的n 型层然后在

17、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 图一 太阳电池结构示意图 2光伏效应 图二 太阳电池发电原理示意图 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 1 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

18、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这一现象称为光伏 效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV） 3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

19、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） 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 1 是由太阳电池的结构和材料的特性决定的n 称为理想系数（n 值），是 表示pn 结特性的参数，通常在12 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） 当太阳电池的输出端短路时，V = 0（VD

20、 0），由（2）式可得到短路 电流 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 （3） 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 （4） 式中Im 和Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压将Voc 与Isc 的乘 积与最大功率Pm 之比定义为填 充因子FF，则 （5） 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 1 入射光强、材料的禁带宽度、理 想系数、串联电阻和并联电阻

21、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 （6） 图三 太阳电池的伏安 特性曲线 4太阳电池的等效电路 图四 太阳电池的等效电路图 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，如图3 所示，该电路为太阳电池的 等效电路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 （7） 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 1 阻 Rsh 【实验数据记录、实验结果计算实验数据记录、实验结果计算】 实验中测得的各个条件

22、下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下： 太阳电池伏安特性实验数据记录及数据处理表 60cm80cm I/mAV/VR/P/AVI/mAV/VR/P/AV 75.900053.40.0000 75.10.8811.720.6652.70.6712.710.04 74.82.3831.821.7852.31.0119.310.05 73.73.7250.472.7450.71.8536.490.09 72.84.6263.463.3649.12.8457.840.14 715.8882.824.1748.83.5472.540.17 6

23、9.56.8197.994.7348.34.3289.440.21 697.01101.594.8447.54.83101.680.23 53.112.14228.636.4541.88.71208.370.36 35.414.3403.955.0633.612.24364.290.41 26.715561.804.0121.914.2648.400.31 2115.4733.333.2314.515.41062.070.22 17.715.5875.712.7412.315.71276.420.19 14.415.71090.282.2610.116.11594.060.16 016.580

24、16.40.00 80cm 串联80cm 并联 I/mAV/VR/P/AVI/mAV/VR/P/AV 54.2000107.6000 53.20.47.520.02106.60.928.630.10 531.120.750.06102.62.4523.880.25 52.82.241.670.1299.64.1341.470.41 52.72.343.640.1295.26.2265.340.59 523.8774.420.2091.27.6483.770.70 51.64.7692.250.2586.29.06105.100.78 47.810.6221.760.5161.713.03211

25、.180.80 44.516.86378.880.753814.6384.210.55 1 40.221.1524.880.8527.215.05553.310.41 33.126.4797.580.8721.715.23701.840.33 3625.5708.330.9217.915.36858.100.27 2727.21007.410.7314.215.48 1090.1 4 0.22 031.4015.92 1 1 1 1 对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论对实验结果中的现象或问题进行分析、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各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线

26、图的分析与讨论 从图中的曲线可以明显看出：从图中的曲线可以明显看出： 1.1. 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）定是否有上界） ； 2.2. 研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电 动势大致增大一倍；动势大致增大一倍； 3.3. 研究电池电阻的大小，在研究电池电阻的大小，在 I-VI-V 图里，函数线越陡，电阻越小，函数线图里，函数线越陡，电阻越小，函数线 越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总

27、电阻倍越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍 增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小 （但应有下界）（但应有下界） ，光照强度越大，电池的电阻越大。，光照强度越大，电池的电阻越大。 4.4. 研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流）研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流） ， 电池的并联使电池的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联 1 的原因）的原因） ；光照强；光照强度越大

28、，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越 小（从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从小（从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从 而决定了短路电流和电动势的大小）而决定了短路电流和电动势的大小） 。 各个条件下输出功率各个条件下输出功率 P P 随负载电压随负载电压 V V 的变化曲线图的分析与讨论的变化曲线图的分析与讨论 1.1. 虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成 功的，因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这功的，因

29、为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这 样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。 2.2. 研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串 联还是并联）都会提高电池总输出功率；光照强度越大，输出功率联还是并联）都会提高电池总输出功率；光照强度越大，输出功率 也越大，光照强度越小，输出功率也越小。也越大，光照强度越小，输出功率也越小。 3.3. 研究达到最大功率时的电压研究达到最大功率时的电压，从图中可以看出：光照强度越大，从图中可以看出：光照强度越大， 也就越大，光照强

30、度越小，也就越大，光照强度越小，相对偏小；电池并联对相对偏小；电池并联对的改变不大，的改变不大， 而电池串联会明显加大而电池串联会明显加大（个人认为这跟电池电阻在总电路中的比重（个人认为这跟电池电阻在总电路中的比重 有关）有关） 。 各个量的统计各个量的统计 /mA /V /mW/mW /mA/mA /v/v / /欧欧 FFFF 60cm60cm 112.19.68410.257.77.11123.20.378 80cm80cm 86.18.99266.745.25.90130.50.345 80cm80cm 串串62.718.69556.537.115.0404.30.475 1 联联 80cm80cm 并并 联联 140.89.36552.176.9 7.1893.4 0.419 1.1. ； 分析：分析： 1.1. 从测得的从测得的 FFFF 数据可以看出，太阳能电池的填充因子并不