太阳能电池基本特性的测量(讲义)

1、太阳能电池基本特性的测量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，

2、作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流(Isc)、开路电压(Uoc)、最大输出功率Pm及填充因子FF,FF Pm /(Isc ? u oc )。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之间关系，画出ISC与相对光强J/Jo之间的关系图；测量开路电压Uoc和相对光强度J/Jo之间的关系，画出Uoc与相对光强J/Jo之间的关系图。【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)式中，Io和是常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为

3、EC EV的半导体构成，如图1所示。EC为图1电子和空穴在曲场的作用下产生光申济半导体导电带，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。图2太阳能电池的理论模型电路图图2中，1成为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流,Id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 (1前 Id 1凡 0(2)(2)式中，I为太阳能电池的输出电流,U为

4、输出电压。由(1)式可得,RsUI(1 ) I ph Id (3)RshRsh假定Rsh和Rs0,太阳能电池可简化为图3所示电路。这里，I Iph Id Iph I0(eU 1)。在短路时，U 0, Iph Isc；而在开路时，I0，Isc I0(eUoc 1)0；图？太阳能电池的简化电路图1 I scUoc Tn广 1(4)(4)式即为在RShI 0和Rs 0的情况下，太阳能电池的开路电压U oc和短路电流是常数。Isc的关系式。其中Uoc为开路电压，Isc为短路电流，而Io【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、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、白炽灯光

5、源1只（射灯结构，功率 40W）、光功率计（带3V直1.白照灯光耀；工光功率计探头;前喑/泄装太Z能电池见光功率计敷显窗由乱光功率计信号岁入接口；6.宜道稳压电驾仪环雉出座；工沼映；乩先其星专轨）；9.军来划渡兄;1口.光学玄典.图4 rp-36型太阳盖特性玄聆仪实物照片及简要说明流稳压电源）、导线若干、遮光罩 1个、单刀双掷开关1个。【实验内容】1 .在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I U特性，用实验 测得的正向偏压时I u关系数据，画出I U曲线并求得常数 和I0的值。2 .在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为2

6、0cm。（1）画出测量实验线路图。（2）测量太阳能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ISC和开路电压U oc。（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。（5）计算填充因子FF Pm/（Isc?U）。3 .测量太阳能电池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源 20cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0；改变太阳能电池到光源的距离x,用光功率计测量x处的光照强度J,求光强J与位置x的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度J/J0不同 值时，相应的Isc和Uoc的值。(1)描绘Isc和相对光强度J/

7、Jo之间的关系曲线，求Isc和与相对光强J/J。之间近似关 系函数。(2)描绘出Uoc和相对光强度J/Jo之间的关系曲线，求Uoc与相对光强度J/J。之间近 似函数关系。【实验数据表格】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 能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：图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(k )U1(V)U2(mV )I( A)In I若用户备有0 3.0V直流可调电源，则可采用图6

8、实验线路：正向偏压在03.0V变化条件下，用 R 1000固定电阻取代电阻箱(但电阻值必须准确，否则计算电流值时将有较大的误差，把测量结果记录到表2中12巧=。图6全喑时太阳能电池在外加保压时的伏安特性测量电路之二表2全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录Ui(V)U2(mV )I( A)由L e U 1 ,当U较大时，e U 1 ,即ln I U lnlo由最小二乘法，将表中最后I 0几点数据处理得：求出：，I0和相关系数r值。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I对太阳能电池白输出电压 U的关系，测量电路请自拟 。把测量结

9、果记录到表 3。表3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()5(V)I(mA)P( mW)R()3(V)I(mA)P(mW)200440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003 .测量太阳能电池Isc和Uoc与相对光强J/Jo的关系，用光强计测定不同光源距离时的光强值。短路电流可以直

10、接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流电压档量出。把测量结果记录到表4中：表4太阳能电池1sC和Uoc与相对光强J/J0的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J0I sc (mA)Uoc(V)152023252729303132333435【实验数据范例】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考） 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(k )U1(V)U2(mV )I( A)ln I42.612.510.4911.502.4430.152.590.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2719.902

11、.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.712.42. 62.833.2图. G）全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性曲线图 (h)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线2.6361V 1, Io 15.2 10 6mA ,相关系数r 0.9996,电流与电压的指数关系得 到验证。表2全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录U1(V)0.4001.4982.0342.2862.4102.488U2(mV )0.010.391.402.533.

12、464.16I( A)0.010.391.402.533.464.163(V)2.6012.6542.7272.7872.8532.928U2(mV )5.466.217.498.7910.4112.76I( A)5.466.217.498.7910.4112.76由L e U 1 ,当U较大时，e U 1 ,即ln I U ln 10由最小二乘法，将表 2 10中最后6点数据处理得以下结果：2.60V 1, Io 6.28 10 6mA ,相关系数 r 0.9998。表3 恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录R()5(V)I(mA)P( mW)R()3(V)I(mA)P(mW)20

13、00.2251.12500.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.038414001.5911.13641.808

14、170003.670.52431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.334780003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.07503.2358300003.880.12930

15、.501830003.111.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.305834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.8012图x在恒定光照F太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线图9恒定光

16、强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲城表4太阳能电池Isc和Uoc与相对光强J/Jo的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J0I sc (mA)Uoc(V)151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.9600.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.68330.4180.248960.493.653

17、40.3320.197740.413.59350.2370.141160.323.51图10太阳能电池短路电流与相对光强的关系曲线图U太阳能电池开路电压与相对光强的关系曲线从图10和图11中找出Isc及Uoc与相对光强J/Jo的近似函数关系为：Isc A(J/Jo)(5)Uoc BIn(J/Jo) C (6)利用最小二乘法拟合，得ISC 1.2855(J/J0) 0.1722,相关系数r 0.9985；Uoc 0.20131n(J/Jo) 3.9207,相关系数r 0.9973 。从最小二乘法拟合中，可知对短路电流Isc和开路电压Uoc关系式(5)式和(6)式成立。图11向太阳能电池开路电压与

18、相对光强关系的拳对数曲结FB736型太阳能电池特性实验仪使用说明书一.概述：能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已 成为世人关注的全球性问题。为了经济持续发展及环境保护，人们正大量开发其它能源如 水能、风能及太阳能的利用。其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前 景。本仪器提供的实验，意在提高学生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池 的基本光电特性，学会电学与光学的一些重要实验方法及数据处理方法。可用本仪器做下 列实验：1 .在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管），测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式。2 .测量太阳能