太阳能电池探究亮特性光照强度关系

1、扬州大学物理科学与技术学院大学物理保合实验制称备次实验名称：太阳能电池探究亮特性光照强度关系班级：物教1201班 姓名：郑清华 学号：120801117 指导老师：李俊来太阳能电池探究亮特性光照强度关系物教1201郑清华指导老师：李俊来摘要：本文介绍了太阳能电池研究背景、实脸原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现，当光强为3433. 5610617. 33w/m?时，开路电 压随着光强的增加呈对数关系增加，短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的 增加先增加后减小，最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。关键词：太阳能电池；输出特性；光强特性。一、研究背景随着经济社

2、会的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源 的需求，随着社会经济而急剧膨胀，专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨 标准煤，并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况，全球化 石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然 成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能 量高达3x 1024焦耳，而地球上人类一年的能源总需求达到约4. 363x 1020焦耳, 也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太 阳能是最为清洁的能源，并且不受任何地域限制，随处可取。此外，将太阳能转 换为电能后，

3、电能又是应用范围最广，输送最方便的一种能源。太阳能一般指太阳光的辐射能量。我们知道在太阳内部无时无刻不在进行着 氢转变为氮的热核反应，反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释 放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的范畴。太阳能电池是目前太阳能利用的 关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位 在今后很长一段时间内不会改变，因此提高晶体硅太阳电池效率，降低生产成本， 使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最 具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机，实现能源可持续发展的重要途 径之一。硅太阳能电

4、池是当今市场的主流产品，其最高效率是24. 7乐由新南威 尔士大学马丁格林教授研制的perl单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高 转换效率十分困难，但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此，研究温度 和光强对太阳能电池的影响是必要的。二、太阳能光伏电池实验（一）实验目的1 .了解pn结的基本结构与工作原理。2 .了解太阳能电池组件的基本结构，理解其工作原理。3 .掌握pn结的lv特性（整流特性）及其对温度的依赖关系。4 .掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法，理解波长因素对太阳能电 池输出特性的影响。5 .通过分析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，

5、分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。（二）实验原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装 置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏 （photovoltaic, photo光线，voltaics电力，缩写为pv）,简称光伏。以光 电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电 池则还处于萌芽阶段。lpn结与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，它们的导电能力介 于导体和绝缘体之间，随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。从材 料能带结构说，这类材料具有导带ec、价带ev和禁带eg。温度、光照等

6、因素 可以使价带垫子跃迁到导带，改变材料的电学性质。半导体材料进行有必要的 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贺信结构通常是pn结，简单地 说，pn结就是p型半导体和n型半导体接触形成的基础区域。太阳能电池， 本质上就是pn结。6o卫启d o_,o°og) . . 一 金.备e)°e o o oo ooo g> g>©<$><$rs gt个空大电离个天子 电簧施主p 区 z 区空间电荷区图1 pn结形成 上图为刚接触时，下图为达到平衡情况n型半导体是在4价硅中

7、掺入5价杂志,杂技原子与相邻原子组成共价键后, 尚多余一个电子，故电子为多数载流子，5价原子称为施主杂质。杂志原子差不 多都是电离的，施主杂技电离后因失去一个电子二成为正离子。p型半导体是在 4价硅中掺入3价杂质，杂技原子与相邻原子组成共价键，尚缺少一个电子，故 空穴为多数载流子，3价原子称为受主杂质。杂志原子差不多都是电离的，受主 杂技电离后因得到一个电子而成为负离子。根据半导体基本理论，处于热平衡态的pn结由p区、n区和两者交界区域 构成，如图1所示。刚接触时，电子由费米能级低的地方流动，空穴则相反。为 了维持统一的费米能级，n区电子向p区扩散，p区内空穴向n区扩散。载流子 的定向运动导致

8、原来的电中性条件被破坏，p区累计带负电且不可移动的电离受 主，n区积累带正电且不可移动的电离施主。载流子扩散运动导致在界面附近区 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，电子空穴扩散乂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强度，内见电场具有组织扩散运动 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的势垒（如图2 （a），（是n区高出p区的 电位，即电位梯度，是能量梯度，称为势垒）。理想pn结模型如下，处于热平衡 的pn结空间电荷区没有载流子，也没

9、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。如果入射光子能量满足关系hveg（eg为半导体材 料的禁带宽度），那么这些光子会被材料吸收，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 在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昌盛显著影响，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，但它们很快就乂会通过各种复合机制复合。态pn 结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场。在内建电场的驱动下p区

10、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，方向都是有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，其至会完全消失（如图2 （b）。宏观的效果实在pn结两端产生电 动势，也就是光生电动势。光生伏特小勇即是指半导体在受到光照时在向光面和 背光面之间产生电动势的现象。如果构成回路就会产生电流，这种电流叫做光生 电流。图2 （a）热平衡时的pn结（b）光照下的pn结一从结构上说，常见的太阳能电池

11、是二种浅结深、大面积的pn*如图31。 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。光照 会使得pn结势垒高度降低其至消失，这个作用完全等价于在pn结两端施加正向 电压。在这种情况下的pn结就是一个光电池。将多个太阳能电池通过一定的方 式进行串并联，并封装好就形成了能防风雨的太阳能电池组件（如图4,图中 eva,是ethylene vmyl acetate copolymei'的缩写，中文是乙烯 醋酸乙烯共聚物, pvf是polu vinyl fluoride的缩写，中文是聚氟乙烯）。图3太阳能电池结构示意图2.太阳能电池光照时的电流电压关系一亮特性太阳能电池的亮

12、特性是指太阳能电池在光照的条件下输出伏安特性。硅太阳能电池的性能参数主要有：开路电压v°c、短路电流l、最大输出功率pm、转换 效率n和填充因子ff。光生少子在内建电场驱动下的定向运动在pn结内部产生了 n区指向p区的 光生电流ii，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 高度降至q(vd-v) o理想情况下太阳能电池负载等效电路如下图，把光照下的 pn结看作一个理想的二极管和恒流源并联。恒流源的电流即为光生电流ii, if 为通过二极管的结电流，rl为外加负载。可见，太阳能电池就相当于一个电源。 该等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流ii，其

13、中一部分 用来抵消结电流正，另一部分供给负载的电流i。有等效电路图可知：i - ii-if il-is(4)光生电流在光电池内部总是由n区向p区反向流动，因此太阳能电池的电 流总是反向的。根据上面的等效电路图，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rl=o,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之为短路电流lc：iiisc 其二是负载电阻rl8,外电路处于开路状态。流过负载的电流为零，根据等效 电路图，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压就是所谓的开路电 压。显然有i - il-isexp(6)得到开路电压vo

14、c为:voc =kot ii开路电压voc和短路电流&是光电池的两个重要参数，实验中这两个参数分 别为稳定光照下太阳能电池lv特性曲线与电压、电流轴的截距。不难理解，随 着光照强度e增大，太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大，但是随光强 变化的规律不同：根据半导体物理基本理论，短路电流g正比于入射光强度， 开路电压v碇随着入射光强度对数增大。此外，从太阳能电池的工作原理考虑， 开路电压不会随着入射光强度增大而无限增大，它的最大值是使得pn结势 垒高度为零时的电压值。换句话说，太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒 对应的电势差vd,是一个材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下，开路

15、 电压值voc与eg/q相当。太阳能电池从本质上说是一个能量转换器件，它把光能转换为电能。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 换过程都存在效率问题，实际发生的能量转换效率不可能是100%。就太阳能电 池而言，我们需要知道的是，转换效率与哪些因素有关以及如何提高太阳能电池 的转换效率。太阳能电池的转换效率】定义为最大输出功率pm和入射光的总功 率pxn的比值：pm n/ imv/71 ，八八八/77 =x 100% =x 100%（8）pinees其中，ln、vm为最大功率点对应的工作电流、工作电压，e。为由光探头测得的 光强度（单位：w/llf） ,

16、s为太阳能电池片受光照射的面积（有效光照面积）。图5为太阳能电池的输出伏安特性曲线，其中im、vm在i-v关系中构成一 个矩形，叫做最大功率矩形。曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电 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i-v曲线上横、纵坐标乘积的最大值点。短路电流和开路电压也形成一个矩形, 面积为lcvoc。定义：ff 二imvmiscvoc为填充因子，图形中它是两个矩形面积的比值。填充因子反应了太阳能电池么实 现功率的度量，通常德填充因子在0.50.8之间。太阳能电池的转换效率是它的最重要的参数。太阳能电池本质上是一个pn 结，因而具有一个确定

17、的禁带宽度。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。太阳能电池效率损失的原因主要 有：电池表明反射、电子和空穴在光敏感层之外由于重组而造成的损失，以及光 敏层的厚度不够等因素。综合来看，单晶硅太阳能电池的最大量子效率的理论值 大约是40%。实际上，大规模生产的太阳能电池的效率还达不到理论极限的一半, 只有百分之十几。（三）实验设备本仪器定位于探究性实验系统，除可以测量配套的样件以外，实验者还可以 利用本系统测量其自制电池片组件。系统主要包括：氤灯电源、光源、测试、配 套软件、usb

18、通信线、电池片组和滤光片组。一起组成：测试主机、款灯电源、包灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和 显示由计算机软件来完成。整机图片（图8）和仪器构成示意图（图9）如下：图8整机图片灯风扃温 n图9仪器构成示意图1 .光路部分本设备光路简洁，由氤灯光源、凸透镜、滤光片构成。2 .测试主机（1）面板介绍：（见下图10）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：正常关机按钮开机按钮：正常开机按钮pc接口：与计算机通信的usb接口光源同信接口：与氤灯电源通信，接收氤灯光源的状态信息（暂未使用） 故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常工作状态指示灯：红色闪烁表示腔内温度调整中，

19、绿色表示未进行温度调整 电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。（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，在一定范围内，可使控温室达到指定温度。测试电 路用于太阳能电池片各性能的数据，该电路将测得的数据传送给计算机，由计算 机进行数据的处理和显示。（3）控温室给太阳能电池片提供一个-1040摄氏度的恒温测试环境。太阳能光伏电池实睑（探究型）系统 £?谈:£中图10测试主机面板示意图3 .氤灯电源与氤灯光源（1）氤灯电源：氤灯电源用于抗灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内除湿。面 板介绍：（见下图11）紧

20、急停机按钮：直接按下为关，顺时针选转自动归位关机按钮开机按钮光源通信接口：与测试主机通信，传送氤灯光源的状态信息（暂未使用）光强选择档位：从1档到6档光强逐渐增大故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常、工作状态指示灯：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整。 电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示正常工作。图11筑灯电源面板示意图（2）氤灯光源采用高压抗灯光源，高压抗灯具有太阳光相近的光谱分布特征。光源功率 750w,出射光孔径为50nm；氤灯启动过程中有3分钟的腔体除湿，防止因空气 湿度过大氤灯不能正常启动。启动过程中，光强档位必须放置在第6档才能启动, 若光强档

21、位选择不是第6档，会出现短促的报警声，此时只需把光强档位调整到 第六档即可正常启动。实验时敬灯点亮后约30分钟稳定后再使用。4 .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 种，中心波长分别为 395nm、490nm、570nm、660nm、710nm、770nm、900nm、 1035miio5 .太阳能电池片组（1）太阳能电池片组包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，均采用普通商用硅太 阳能电池片。本实验室在用的各组件的有效受光面积有30nmix30nmi和28mm x25nmi 两种。（2）在光照特性实验中，光强探测器用于测定入射光强度，已通过标准光 功率计进行标准

22、；在光谱特性实验中，光强探测器的光谱曲线是已知的。本实验 室在用的光强探测器的有效受光面积有5.7nunx5.7nmi和2.5nunx 3.0mm两种。（四）实验内容与步骤1 .内容：温度控制在25c,测量不同光强档位下太阳能电池片的it、p-v输出特性; 研究开路电压、短路电流、填充因子和转换效率随光强如何变化。2 .实验步骤：（1）氤灯光源置于1档位，测量单晶硅电池片在全光谱照射下的 v、p-v输出特性，记录开路电压、短路电流和最大输出功率，计算填充因子。（2）依次调节档位26档，重复以上步骤。绘制单晶硅在不同光强下的i-v. p-v曲线，试说明随着光强的变化，其输出特性如何变化？为什么？

23、根据各光强ee下得到的单晶硅电池片的开路电压voc、短路电流isc、最 大输出功率pm、转换效率n和填充因子ff。绘制voc-ee、isc-ee、pm-ee、n -ee、ff-ee关系曲线。试说明这些参数与光强之间的关系。（五）注意事项1 .氤灯光源（1）机箱内有高压，非专业人员请勿打开，否则易造成触电危险。（2）机箱表面温度较高，请勿触摸，避免烫伤。（3）请勿遮挡机箱上下进出风口，否则可能造成仪器损坏。（4）氤灯工作时，请勿直视敬灯，避免伤害眼睛。（5）眼睛向机箱内丢杂物。（6）为保证使用安全，三芯电源线需可靠接地。（7）仪器在不用时请与外电网相连的插头拔下。2 .氤灯电源（1）为保证使用安

24、全，三芯电源线需可靠接地。（2）仪器在不用时请与外电网相连的插头拔下。（3）氤灯启动时氤灯光强选择旋钮必须放到第6档，否则可能无法电亮抗 灯。（4）关机时，按下关机按钮15秒内氤灯未熄灭，说明仪器出现故障，应按 下紧急开关按钮。3 .测试主机（1）风扇在高速旋转时，严禁向内丢弃杂物。（2）实验时请关闭顶盖，关闭顶盖是应注意安全，不要夹到手指。（3）为保证使用安全，三芯电源线需可靠接地。（4）请勿遮挡机箱风扇进出风口，否则可能造成仪器损坏。（5） 一起在不用时请将与外电网相连的插头拔下。（6）温控开启后，若发现制冷腔散热器风扇未转应按下紧急开关按钮，待 修。4 .实验配件（1）太阳能电池板组件为

25、易损部件，应避免挤压的跌落。（2）光学镜头要注意防尘，注意不要刮伤表面。使用完毕后，应包装好置 于镜头盒内。滤光片在强光下连续工作应小于30分钟，否则将损坏滤光片。（六）实验结果及数据处理1.不同档位的开路电压、短路电流和最大输出功率。光源功率档位w/m”123456开路电压voc（v）2. 782.82. 852. 872.92. 91短路电流i sc （ira）_ 17.320.628.633. 0545.253.9最大输出功率pm（硼）48. 09444. 58362. 5971.9996. 702113. 732.计算得不同档位的填充因子和转换效率1光源功率档位w/m”123456转换效率。1.19%1.17%1.21%1.21%1.21%1.19%填充因子ff0.7670.7730.7610.7590. 7380. 7251 雕 i-v冶位170. 8cl.03jz。83.802裆位iti-发列1 iloco 2.0c03.000，3sto-v|t-s无：113.绘制单晶硅在不同光强下的l-v、p-v曲线4 绘制 voc-ee、isc-ee、prrre