太阳电池基本特性测量实验

太阳电池(Solar 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。它具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点。世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于l954年研制的。经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化己取得巨大进步。目前，太阳电池已成为空问卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域(通信设备、气象台站、航标灯等)的重要电源。随着太阳电池制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电。近年来，在美国和日本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网。从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位。因此，太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要新能源。有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15％～20％，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位。

一、 实验目的

1、 了解太阳电池的基本结构及基本原理

2、 研究太阳电池的基本特性：太阳电池的开路电压和短路电流以及它们与入射光强度的关系；

太阳电池的输出伏安特性等。

二、 实验仪器

YJ-TYN-1太阳电池基本特性测量仪、光源、负载电阻箱

三、 实验原理

1、 太阳电池基本结构

太阳电池用半导体材料制成，多为面结合PN结型，靠PN结的光生伏特效应产生电动势。常见的有太阳电池和硒光电池。

在纯度很高、厚度很薄（0.4mm）的N型半导体材料薄片的表面，采用高温扩散法把硼扩散到硅片表面极薄一层内形成P层，位于较深处的N层保持不变，在硼所扩散到的最深处形成PN结。从P层和N层分别引出正电极和负电极，上表面涂有一层防反射膜，其形状有圆形、方形、长方形，也有半圆形。

太阳电池的基本结构如下： 防反射层 正电极层

P层

PN结

N层

负电极

2、 太阳电池的基本原理

当两种不同类型的半导体结合形成PN结时，由于分界层（pn结）两边存在着载流子浓度的突变，必将导致电子从N区向P区和空穴从P区向N区扩散运动，扩散结果将在PN

结附近产生空间电荷聚集区，从而形成一个由N区指向P区的内电场。当有光照射到PN结上时，具有一定能量的光子，会激发出电子-空穴对。这样，在内部电场的作用下，电子被拉向N区，而空穴被拉向P区。结果在P区空穴数目增加而带正电，在N区电子数目增加而带负电，在PN结两端产生了光生电动势，这就是太阳电池的光生电压。若太阳电池接有负载，电路中就有电流产生。这就是太阳电池的基本工作原理。

单体太阳电池在阳光照射下，其电动势为0.5~0.6V，最佳负荷状态工作电压为0.4~0.5V，根据需要可将多个太阳电池串并联使用。 3、 太阳电池的光电转换效率

太阳电池在实现光电转换时，并非所有照射在电池表面的光能全部被转换为电能。例如，在太阳照射下，太阳电池转换效率最高，但目前也仅达22%左右。其原因有多种，如：反射损失；波长过长的光（光子能量小）不能激发电子空穴对，波长过短的光固然能激发电子空穴对，但能量再大，一个光子也只能激发一个电子空穴对；在离PN结较远处被激发的电子空穴对会自行重新复合，对电动势无贡献；内部和表面存在晶格缺陷会使电子空穴对重新复合；光电流通过PN结时会有漏电等。 4、 太阳电池的基本特性

（1） 开路电压UOC与入射光强度的关系

开路电压不仅与太阳电池材料有关，而且与入射光强度有关。在相同的光照射下，不同材料制作的太阳电池的开路电压不同。理论上，开路电压的最大值等于材料禁带宽度的一半。例如，禁带宽度为1.1eV的硅做太阳电池，开路电压为0.5~0.6V。对于给定的太阳电池，其开路电压随入射光强度变化而变化。其规律是：太阳电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢。

（2） 太阳电池的短路电流ISC与入射光的关系

对于给定的太阳电池，其短路电流与入射光强度成正比。 （3） 太阳电池在一定入射光强度下的填充因子FF

F.FUmpImpUOCISC

Ump和Imp分别为太阳电池在该入射光强度下输出功率最大时的电压和电流。FF的物

理意义是太阳电池在该入射光强度下的最大输出效率。

四、 实验内容与步骤

按下图所示接好线路图。

1、 在没有光源或光照的条件下，测量太阳电池正向偏压时的I-U特性（直流偏压从0-3.0V）。

a、 画出测量线路图。

b、 利用测得的正向偏压时I-U关系数据。

2、 在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳电池一些特性。注意此时光源到太阳电池距离

保持为20cm。

A、 画出测量线路图。 B、 测量电池在不同负载电阻下I对U的变化关系，画出I-U曲线图。 C、 求太阳电池的最大输出功率及最大输出功率时的负载电阻。

3、 测量太阳电池的光照效应与光电性质。

在暗箱中，取离白光源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

五、 数据记录与处理

改变负载变阻器R的阻值，测量流经负载的电流I和负载上的电压V。记下光伏组件的短

路电流Isc和开路电压Voc。计算负载电阻阻值R，负载电阻功率P，填充因子FF。在毫米方格纸上做I—U特性曲线和P—R特性曲线，并确定最大功率Pm，最佳工作电流Im、工作电压Vm及负载电阻Rm，数据填入下表： 光源距离L=20cm 开路电压UOC 短路电流ISC 填充因子FF U（V） I（mA） R（） P（W） U（V） 光源距离L=30cm 开路电压UOC 短路电流ISC 填充因子FF I（mA） R（） P（W）

六、思考题

试举出几个太阳电池实际应用的例子，谈谈太阳能与其他能源相比有什么优点？