太阳能开放性实验报告

1、ZHEJIANG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY浙江科技学院开放实验报告太阳能电池基本特性的测量院;业:（学号）:教师:理学院实验中心太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太 阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。【实验目的】1. 在没有光照时，太阳

2、能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏 安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2. 测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作伏安特性曲线图，由图求得它的短路电流(Isc)、开路电压(Uoc)、最大输出功率Pm及填充因子FFPm/(l SC * U OC )1 。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3. 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流Isc和相对光强度J/J0(=X0/X)之间关系，画出Isc与相对光强J/Jo(=X/x)之间的关系图；测量开路电压Uoc和相对光强度J/Jo(=X/x)之间的关系，画出Uoc与相对光强J/Jo(=X/x)之间的关系图。【

3、实验原理】太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压 U与通过电流I的关系式为：I = Io -(eU -1)(1)(1) 式中，Io和是常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为Ec-Ev的半导体构成，如图1所示。Ec为能隙价带EV圏1电子利空穴在电场的作用下产生光电魏半导体导电带，Ev为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻 Rsh与一个电阻Rs所组成，如图2所示。10图2太阳

4、能电池的理论模型电路图图2中，I”为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，ld为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：IRs U （l ph 1 d 1 ）Rsh = 0（ 2）（2）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（1 ）式可得：RUl（1 J）=lph_,-Id（ 3）RshRsh假定Rsh二：和Rs =0，太阳能电池可简化为图 3所示电路。这里，丨ph -1d ph -0。在短路时，U =0, Iph sc ；而在开路时，I =0, Isc -Io（eUoc -1）=0 ；1 IUcIn产 1（ 4）P I 0（4）式即为在Rsh二：和Rs =0的情况下

5、，Id1 !1皿(P) 土D V图S末阳能电池的简化电路圏太阳能电池的开路电压 Uoc和短路电流Isc的关系式。其中Uoc为开路电压，Isc为短路电流，而I 0、卜是常数。【实验装置】光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池板、数字万用表1只(用户自备)电阻箱1只(用户自备)、碘钨灯白光光源1只(功率220V/100W )、JK 7型传感器专 用信号源直流0 15V连续可调 有短路保护及延时恢复功能 、方波信号及音频(音乐) 信号、导线若干、遮光罩1个。碘儕灯白光光源滑块附支架光具座暗盒(盖己打开太阳能韭池板刻度尺图4SLW型太阳能电池特性研究与应用综合实验仪结构图I U特性:【实验内容】

6、1 在无光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的(1)按实验要求画出测量的实验线路图；(2)根据正向偏压时I U关系测量数据，画出I U曲线并求得常数一：和|0的值。2 在白光光源照射下，不加偏压，测量太阳能电池光照特性。注意此时光源到太阳能电 池距离保持20cm不变。(1) 画出测量线路图。(2) 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。(3) 用外推法求短路电流| sc和开路电压Uoc。(4) 求太阳能电池的最大输出功率和最大输出功率时对应的负载电阻。(5) 计算填充因子 FF = Pm/(lSC UOc)。3测量太阳能电池的光照特性：在暗箱中(用遮光罩挡光

7、)，我们把太阳能电池在距离白光光源 x0 =20cm的水平距 离接受到的光照强度作为标准光照强度 J0 ,然后改变太阳能电池到光源的距离 xi，根据 光照强度和距离成反比的原理，计算出各点对应的相对光照强度J/J0 =X0/Xj的数值。测量太阳能电池在不同相对光照强度J/J0时，对应的短路电流Isc和开路电压Uoc的值。（1）描绘短路电流Isc和相对光强度J/Jo之间的关系曲线，求短路电流Isc和与相对光照强J/Jo之间近似函数表达式。（2）描绘出开路电压 Uoc和相对光照强度J/Jo之间的关系曲线，求开路电压 Uoc与相 对光照强度J/Jo之间近似函数表达式。【实验数据范例】（注：以下数据仅

8、供实验时参考，不作为仪器验收标准，）1.在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的输出电压U :测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值， 用万用表量出各种阻值下 太阳能电池与电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：圏5全暗时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性测量表1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录R(kC)U1(V)U2(V)l(4A) =U2/RIn 150.000.622.3246.403.83745.000.662.2850.673.92540.000.702.2355.754.02135.000.762.1862.294.13230.

9、000.822.1270.674.25825.000.902.0481.604.40220.001.001.9597.504.58015.001.131.82121.334.7998.001.431.52190.005.2475.001.651.30260.005.5612.002.060.89445.006.0981.002.320.62620.006.4300.002.940.00785.696.667ASQO-I(pA)6G&-+G0-2W-1 2图6全暗状态下衣阳电池外加偏压时的伏安特性曲纯tlnlU(V)I1 1ILIII1 - 1 11111J图7全暗状态下太阳能电池外加倚压时伏安

10、特寸数曲线根据图7可以看到，电流与电压的指数关系得到验证。变化条件如果用03.0V可调直流电源，则可采用图8实验电路：正向偏压在 03.0V下，电阻箱固定取图乞全暗时太阳能电池在外加偽压时的伏安特性测量线路之二2.不加偏压，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I对太阳能电池的输出电压 U的关系，测量电路与图 5一样。测量结果如表2所示：表2 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录R(0)U1(V)I(mA)P(mW)50.9581.977.8101.5080.4120.6151.7579.4139.0202.1277.9165.1252.4

11、975.6188.2302.8573.8210.3353.1072.4224.4403.3870.9239.6453.7068.9254.9504.0566.9270.9554.2364.8274.1604.3562.1270.1654.4459.4263.7704.5056.7255.2754.5554.0245.7804.5951.5236.4854.6249.2227.3904.6747.0219.5954.6845.1211.11004.6944.2207.31504.8030.9148.32004.8423.4113.35004.949.747.98005.006.130.51000

12、5.015.025.1/P(mW)200图10恒走光照无偏压太阳能电池输出功率与负载电阻的关系曲线由图9得短路电流lsc=62.1mA，开路电压Uoc=4.35V。太阳能电池在光照时，输出功 率P=l U与负载电阻R的关系如图10所示，由图10可得到最大输出功率：P=274.1mW 此时负载电阻R 55门，于是得填充因子如下：FF=Pm/(Isc X Uoc)=274.1 X 10-3/(0.621 X 4.35)=0.101。3测量太阳能电池短路电流Isc和开路电压Uoc与灯与太阳能电池距离 Xi的相对关系，对于短路电流Isc可以直接用万用表的电流档测量，开路电压Uoc可以直接用万用表的电压

13、档测量。把测量结果记录在表3中：表3太阳能电池短路电流Isc、开路电压Uoc与相对光照强度J/J。对应关系灯与太阳能电池距离Xi (cm)相对光照强度J/J0Isc(A)Uoc(V)500.4000.02194.57480.4170.02354.60460.4350.02494.62440.4550.02674.65420.4760.02884.67400.5000.03104.70380.5260.03344.73360.5560.03634.76340.5880.03964.79320.6250.04334.82300.6670.04774.86280.7140.05274.90260.7690.05854.93240.8330.06574.98220.9090.07405.03201.0000.08505.10f Uoc(V)0 51圏12太阳能电池开路电压与相对光强的关系曲线|ln(J/Jo)|从图11和图12中找出短路电流13太阳能电池开拦电压与相对光强对裁的绝对值关票曲线Isc、开路电压Uoc与相对光强J/J。的近似函数关系为:lsc=A(J/Jo)(5)Uoc 二 Bln(J/J。)C(6)利用最小二乘法拟合，得lsc=0.105167*(