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，作出伏

2、安特性曲线图，从图中求得它的短路电流(|SC)、开路电压(UOC)、最大输出功率Pm及填充因子FF,FF=Pm/(IseUOC)。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/J。之间关系，画出IscSC0SC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U0c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：1UI=Io*(e-1)(1)(1)式中，Io和P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电子和空穴在电场的作用下产生光电流半导体导电带，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,池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：Id为光照时通过太阳能电|RU-(I一匕一DR。=0sphdsh(2)式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出

4、电压。由(1)式可得,RsU，、I(1+)=限-Id(3)RshRsh假定Rsh=8和Rs=0,太阳能电池可简化为图3所示电路。这里，I=6-Id=睢-Io(efU1)。在短路时，U=0,Iph=Isc；而在开路时，I=0,Isc-I0(e"oc-1)=0;scILi图&太阳能电池的简化电路图1Isc一Uoc=-ln+1(4):Io(4)式即为在RSh=8和RS=0的情况下，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10、P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、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1

5、只（用户自备）、白炽灯光源1只（射灯结构，功率40W）、光功率计（带3V直】.白炽灯光源；工光功率计探头;左暗盒（内装太阳能电池;4.光功率计数显窗口总光功率计信号给入接口;6.直流稳压电源©V）输出插座：工谓块：出光具座舟轨）；9.亮米制度尺；in光学支架.图4FIT36型太阳能特性窠验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IU特性，用实验测得的正向偏压时IU关系数据，画出IU曲线并求得常数P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

6、光源到太阳能电池距离保持为20cm。（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IU曲线图。（3）用外推法求短路电流ISC和开路电压U0c。（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*Uoc）。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J。；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U的值。(1)描绘IS

7、C和相对光强度J/J0之间的关系曲线，求ISC和与相对光强J/J0之间近似关SCOSCO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/Jo之间近OCOOCO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恻量表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(kfi)U1(V)U2(mV)I(NA)lnI若用户备有03.

8、0V直流可调电源，则可采用图6实验线路：正向偏压在03.0V变化条件下，用R=1000建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肛尸Ur图6全暗时太阳能电池在外加偏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)”A)由=e1,当U较大时，e&»1,即lnI=PU+lnI。由最小二乘法，将表中最后几点数据处理得：求出：P,|0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

9、拟。把测量结果记录到表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(C)5(V)I(mA)P(mW)R(C)Ui(V)I(mA)P(mW)200440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003 .测量太阳能电池|SC和U0c与相对光强J/J0的关系，用光强计测定不同光源距离时的SCOC

10、O光强值。短路电流可以直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ISC和U0c与相对光强J/J0的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J0Isc(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(kQ)U1(V)U2(mV)I(RA)InI42.612.510.4911.502.4430.152.590.4113.602.6121.602.650.3516.202.7913.572.730.2

11、719.902.998.942.790.2123.503.165.452.850.1527.503.312.042.930.0734.303.540.003.000.0040.803.71图-（小）全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性曲线图r(b)全暗情况下太阳靛电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线P=2.6361VI0=15.2X10'mA,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)0.010.391.402.533.464.16I&q

12、uot;)0.010.391.402.533.464.16U1(V)2.6012.6542.7272.7872.8532.928U2(mV)5.466.217.498.7910.4112.76I(M)5.466.217.498.7910.4112.76由L=e®-1,当U较大时，e»1,即lnI=Pu+lnI。由最小二乘法，将表210中最后6点数据处理得以下结果:P=2.60V，I。=6.28X10上mA,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(C)UV)I(mA)P(mW)R(C)UV)I(mA)P(mW)2000.2251.1250

13、0.253144003.460.78642.72083000.3411.13670.387646003.490.75872.64794000.4571.14250.522148003.510.73132.56676000.6831.13830.777550003.530.70602.49228000.9111.13881.037455003.580.65092.330310001.1381.13801.295060003.620.60332.184112001.3641.13671.550465003.640.56012.038414001.5911.13641.808170003.670.5

14、2431.924116001.8171.13562.063475003.690.49211.815518002.051.13892.334780003.710.46381.720520002.271.13502.576585003.720.43761.628022002.491.13182.818290003.730.41441.545924002.691.12083.0150100003.760.37611.413826002.871.10383.1680200003.850.19250.741128003.011.07503.2358300003.880.12930.501830003.1

15、11.03673.2240400003.90.09750.380332003.190.99693.1800500003.910.07820.305834003.260.95883.1258600003.920.06530.256136003.320.92223.0618700003.930.05610.220638003.360.88422.9709800003.940.04930.194040003.410.85112.8910900003.940.04380.172542003.430.81672.8012图8在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出

16、功率与负载电阻关系曲线表4太阳能电池ISC和U0c与相对光强J/J0的关系光源距离x(mm)J(mW)J/J。ISC(mA)Uoc(V)151.6791.001.433.91201.4600.869571.283.89231.2640.752831.143.86251.1050.658131.033.83270.9600.571770.933.81290.8500.506250.843.79300.7500.446690.773.77310.6110.363910.653.73320.5000.297790.563.68330.4180.248960.493.65340.3320.197740

17、.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图11何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/J0的近似函数关系为：Isc=A(J/Jo)(5)U“=BIJ/J。)C(6)利用最小二乘法拟合，得Isc=1.2855(J/J。)+0.1722,相关系数r=0.9985；UOc=0.2013In(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U0c关系式(5)式和(6)式成立。UOfIV)F=0.2013工+3.920?r=0.99?3图

18、U向太阳能电池开路电压与相对光强关系的半对数曲线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