太阳电池伏-安特性测

1、实验十实验十 太阳电池伏太阳电池伏-安特性测量安特性测量 太阳电池（Solar CellsSolar Cells）,也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统。 太阳电池的发展历程 几千年来人类无意识地利用太阳能来取暖和晾晒物品，直到19世纪末才出现了第一台太阳能热水器，而第一片太阳电池的出现则是在1954年 其发展过程简列如下： 18931893年年 法国科学家贝克勒尔发现法国科学家贝克勒尔发现“光

2、生伏打光生伏打效应效应”，即，即“光伏效应光伏效应”。 19301930年年 肖特基提出肖特基提出Cu2OCu2O势垒的势垒的“光伏效应光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应光伏效应”制造制造“太阳电池太阳电池”，使太阳能变成电能。，使太阳能变成电能。 19411941年年 奥尔在硅上发现光伏效应。奥尔在硅上发现光伏效应。 19541954年年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为晶太阳电池，效率为6%6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，

3、并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 19581958年年 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1 1号卫星电源。号卫星电源。19591959年年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%5%。 19751975年年 非晶硅太阳电池问世。非晶硅太阳电池问世。 19801980年年 单晶硅太阳电池效率达单晶硅太阳电池效率达20%20%，砷化镓电池达，砷化镓电池达22.5%22.5%，多晶硅电池达多晶硅电池达14.5%14.5%，硫化镉电池达，硫化镉电池达9.1

4、5%9.15%。 19981998年年 单晶硅光伏电池效率达单晶硅光伏电池效率达25%25%。荷兰政府提出。荷兰政府提出“荷荷兰百万个太阳光伏屋顶计划兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到，到20202020年完成。年完成。 自50年代研制成第一块实用的硅太阳电池、60年代太阳电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个世纪。发展到今天，世界太阳电池组件的年产量达200MW以上。 太阳电池的应用屋顶太阳能发电并网系统太阳能交通指示系统太阳电池庭院灯太阳电池玩具太阳电池鱼缸韩国的风力发电和太阳能发电互补系统将来的太阳能车太阳能建材一体化零能住宅硅太阳能电池的生产流程硅太阳能电池的

5、生产流程 实验目的 R了解太阳电池的工作原理及其应用；R测量太阳电池的伏安特性曲线。实验原理R太阳光发电的优点R太阳电池的种类和特征R太阳电池的结构R光伏效应R太阳电池的表征参数R太阳电池的等效电路太阳光的发电的优点不需要燃料不需要燃料取之不尽用之不竭的太阳光就是能源。清洁能源清洁能源不会排放NOx、CO2等有害物质。不需要烦琐的操作不需要烦琐的操作系统运行全靠自动进行。系统简单维护方便系统简单维护方便整个发电系统没有运转部件，属 于静态发电因此维护简单方便。太阳电池的种类和特征晶体硅太阳电池结构太阳光减反射膜表面电极背电极pn 结pn太阳电池发电原理示意图光伏效应 N型半导体和P型半导体接触

6、形成PN结，PN结内存在从N区指向区的内建电场。PN结受光照后，半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子（空穴和电子），在内建电场作用下，电子（）朝N型半导体汇集，而空穴（）则朝P型半导体汇集。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。光伏效应成品太阳电池组件 太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流光生电流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 1exp0TnkqV

7、IIIIIBDphDph太阳电池的表征参数 式中VD 为结电压,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，即 1exp0TnkqVIIIBph太阳电池的表征参数 当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD0），得短路电流短路电流 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，得开路开路电压电压 phscII1ln0IIqTnkVscBoc太阳电池的表征参数 当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图所示。 VocVmImIscIVRm1太阳电池的伏安特性曲线太阳电池的伏安特性曲线 负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使

8、太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率最大功率Pm为 式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电最佳工作电流流和最佳工作电压最佳工作电压。mmmVIP太阳电池的表征参数 将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子填充因子FF，则 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取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。scocmmscocmIVIVIVPFF太阳电池的表征参数实验电路太阳能电池实验过程：v 将太阳光伏组件，负载电阻R0、R1、R2通过接线板连成回路，同时，把路端电压连接到数据采集器CH1输入端，把R0二端的电压接入数据采集器CH2

9、输入端，并设置数据采集器X轴为CH1，Y轴为CH2。改变负载电阻R1和R2，采集流经负载的电流I和负载上的电压V，即可得到该光伏组件的伏-安特性曲线。测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，以保证整个过程中是在相同光照度下进行的。 分别测量以下几种条件下光伏组件的伏-安特性曲线 v 辐射光源与光伏组件的距离为60cm；v 辐射光源与光伏组件的距离为80cm；v 辐射光源与光伏组件的距离为80cm，并且电池板转过一角度（如30度）；（演示实验）v 辐射光源与光伏组件的距离为80cm，将两组光伏组件串联；v 辐射光源与光伏组件的距离为80cm，将两组光伏组件并联。关键步骤v根据采集的图像曲线

10、变化情况，来调节R1或R2 v在旋动R1或R2时，注意旋动的速度。应匀速缓慢。vR1与R2旋动方向应一致，不能出现一个是顺时针旋动而另一个是逆时针旋动。实验数据及处理实验数据及处理v1、数据记录v2、用计算机处理数据v3、画出不同条件下的各种曲线（1）光伏组件的伏-安特性曲线；（2）光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化；（3）光伏组件的输出功率P随负载电阻R的变化。v确定不同条件下光伏组件的短路电流Isc，开路电压Voc，最大功率Pm，最佳工作电流Im、工作电压Vm及负载电阻Rm，填充因子FF，并将这些实验数据列在一表格内进行比较。 如：辐射光源与光伏组件的距离为80cm； v伏安特性功率与电压的关系功率与电阻的关系不同条件下的各物理量比较条件 Isc (mA)Voc (V)Pm(mW)Im (mA