太陽(yáng)能電池——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

1、太陽(yáng)能電池特性的測(cè)量太陽(yáng)能電池特性的測(cè)量能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的最大問(wèn)題，新能源利用迫在眉睫。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的新能源。太陽(yáng)電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽(yáng)能發(fā)電有望在不久的將來(lái)在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)能應(yīng)用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅太陽(yáng)能電池，化合物太陽(yáng)能電池，聚

2、合物太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池等。其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽(yáng)能電池的特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)太陽(yáng)能電池的發(fā)電的原理2了解太陽(yáng)電池測(cè)量原理3對(duì)太陽(yáng)電池特性進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體PN結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面PN結(jié)，圖1為PN結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒(méi)有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的

3、自由電子，幾乎沒(méi)有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成PN結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在PN結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過(guò)PN結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有能導(dǎo)電的載流子，又稱(chēng)為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)

4、，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢(shì)壘電場(chǎng)推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過(guò)量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過(guò)量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將PN結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽(yáng)能電池負(fù)載電阻的大小，測(cè)量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線(xiàn)所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測(cè)得的最大電流ISC稱(chēng)為短路電流。負(fù)載斷開(kāi)時(shí)測(cè)得的最大電壓VOC稱(chēng)為開(kāi)路電壓。太陽(yáng)能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。

5、同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的PV曲線(xiàn)如圖2點(diǎn)劃線(xiàn)所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱(chēng)為最大輸出N勢(shì)壘電場(chǎng)方向空間電荷區(qū)P圖1半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖輸出電流IPmax（輸出功率）ISCVOC輸出電壓V圖2太陽(yáng)能電池的輸出特性射到太陽(yáng)能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測(cè)量。測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～

6、8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量提供電壓。電壓光強(qiáng)表：通過(guò)“測(cè)量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測(cè)量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過(guò)“電壓量程”或“光強(qiáng)量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測(cè)量并顯示0～200mA的電流，通過(guò)“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量硅太陽(yáng)能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏

7、安特性是指無(wú)光照射時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面PN結(jié)，單個(gè)太陽(yáng)能電池單元的PN結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類(lèi)似于普通二極管，但取決于太陽(yáng)能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測(cè)試并畫(huà)出單晶硅多晶硅，非晶硅太陽(yáng)能電

8、池組件在無(wú)光照時(shí)的暗伏安特性曲線(xiàn)。用遮光罩罩住太陽(yáng)能電池。測(cè)試原理圖如圖5所示。將待測(cè)的太陽(yáng)能電池接到測(cè)試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端電壓，電流表測(cè)量回路中的電流。圖5伏安特性測(cè)量接線(xiàn)原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.3V記一次電流值。記錄到表1中。將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線(xiàn)互換，即給太陽(yáng)能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，