太阳能电池伏安特性研究

1、太阳能电池伏安特性研究沈阳沈阳城市学院城市学院物理实验中心物理实验中心太阳能电池简介p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。光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 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

2、国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应光生伏打效应”，即即“光伏效应光伏效应”。 19301930年年 肖特基肖特基提出提出Cu2OCu2O势垒的势垒的“光伏效应光伏效应”理论。理论。同年，同年，朗格朗格首次提出用首次提出用“光伏效应光伏效应”制造制造“太阳电太阳电池池”，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，效率为了实用的单晶太阳电池，效率为6%6%。同年，韦克尔首。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次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。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号号卫星电源。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

4、达，硫化镉电池达9.15%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。 太阳光的发电的优点p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。p清洁能源清洁能源不会排放NOx、CO2等有害物质。p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

5、行。p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。太阳电池的应用屋顶太阳能发电并网系统太阳能建材一体化零能住宅太阳能交通指示系统太阳电池厕所（徐家汇太平洋百货店前）太阳电池电厂太阳电池太空电厂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车太阳电池车太阳电池飞机太阳电池飞机太阳电池飞机太阳能飞机-瑞士“阳光动力 美国国家航空航天局（NASA）开发的名为“探路者（Pathfinder）” 实验目的p（1）了解太阳能电池的基本特性。（2）测绘太阳能电池的光照伏安特性。实验仪器p1、太阳能电池基实验仪 ZKY-SAC-Ip2、太阳能电池基实验仪导轨

6、 ZKY-SAC-I-S3 p3、可变负载 ZKY-SAC-I-S4 p4、太阳能电池测试盒 ZKY-SAC-I-S5 实验原理p目前半导体光电探测器在数码摄像光通信太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理光电效应理论和光伏电池产生机理。实验原理-1PN结的形成及单向导电性 1结的形成 （1）当型半导体和型半导体结合在一起时，由于交界面处存在 载流子浓度的差异 ，这样电子和空穴都要 从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和区中原来的电中性条件破坏了。

7、区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为 空间电荷 ，它们集中在区和区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的 结。图（1）浓度差使载流子发生扩散运动 p（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为 耗尽层 。 p（3）区一侧呈现负电荷，区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由区指向区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为 内电场 。（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是 内电场将阻碍多子

8、的扩散 ，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移漂移到对方， 使空间电荷区变窄 。 （5）因此， 扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即 结处于动态平衡 s。 结的形成 FLASH图（2）内电场形成 2结的单向导电性 （1） 外加正向电压 （正偏） 在外电场作用下，多子将向结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，区的多子空穴将源源不

9、断的流向区，而区的多子自由电子亦不断流向区，这两股载流子的流动就形成了结的正向电流。 （2） 外加反向电压 （反偏） 在外电场作用下，多子将背离结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。 因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流 。 当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为 反向饱和电流 。 结的单向导电性 太阳光入射到太阳电池表面上后，被太阳电池吸收。此时，在太阳电池内部因吸收了光能而产生了带正电和负电的粒子（空穴和电子），这些粒子各自在太阳电池内部自由

10、移动。而且它们绝大多数具有这样的性质，即电子（）朝N型半导体汇集，而空穴（）则朝P型半导体汇集。因此，在电池表面和背面焊上电极后，再接上灯泡或马达之类的负载，电流就会流起来。实验原理-2光伏效应太阳电池发电原理示意图光伏效应光伏效应（Photovoltaic Effect, Photovoltaic Effect, 缩写为PVPV） ，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在 p区,n区和结区光子被吸收会产生电子空穴对。 那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯

11、度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在 p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。 这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。P-N结 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

12、动势。光照下光电流的产生动态图 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 1exp0TnkqVIIIIIBDphDph太阳电池的表征参数(1) 式中VD 为结电压,I0为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流,其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的。其中n称为理想系数,是表示pn结特性的参数,通常在1-2之间。q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度。 如果忽略太阳电池的串联电阻Rs

13、,VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为 （2） 1exp0TnkqVIIIBph 当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD0），由（2）式可得到短路电流短路电流 （3） 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，由（2）和（3）式可得到开路电压开路电压 （4）phscII1ln0IIqTnkVscBoc 当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图2所示。 VocVmImIscIVRm1 负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使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 （5） 式中 Im 和 Vm 分别为最佳

14、工作电流最佳工作电流和最佳最佳工作电压工作电压。mmmVIP 将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充填充因子因子FF，则 （6 6） 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 太阳电池的转换效率转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即 （7）%100inmPP 太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示,如下图所示，该电路为太阳电池的等效

15、电路。 RsRshDIph太阳电池的等效电路 由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为 （8 8） 为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh。shsBsphRIRVTnkIRVqIII1)(exp0实验内容-光电池伏安特性测试p光电池伏安特性测试p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20cm.pA、画出测量路线图。RVA实验内容pB、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（U为横轴，I为纵轴）。P对R的曲线图（R为横轴，P为纵轴） ，并以此确定太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时的负载电阻。0.00.51.01.52.02.53.0024681012141618I(mA)U(V)太阳能电池伏安特性曲线间距：D30cm作者：11土木1班 张三0500100015002000250030000246810121416182022242628303234P(mW)R(太阳能电池输出功率曲线间距：D30cm作者：11土木1班 张三实验内容pC、开路电压 和短路电流 。pD、求最大输出功率及最大输出功率时的负载电阻。pE、计算填充因子ocUscI)/(sc